基于衍射周期结构的天线与变模技术研究

【摘要】：天线与模式变换器是电磁传输链路中重要的两类器件。其中,天线是实现导行(或空间)电磁波与空间电磁波之间转换的器件,而模式变换器则是用于导行电磁波与空间电磁波之间的相互转换。传统的天线与模式变换器主要通过采取不同的宏观边界条件实现对电磁波传输的控制,因此,在传统的天线与模式变换器设计过程中所使用的方法、步骤以及宏观结构往往不同,这无疑增加了设计的复杂性与难度。而衍射周期结构(Diffraction Periodic Structure,DPS)是一类空间上呈现周期性排列,且具有特殊电磁传输特性的结构总称。它不仅在宏观上具有结构的统一性,而且在微观上具有单元的可定制性,因此,DPS能够方便地实现电磁波波前、极化以及传输模式的转换与控制,在天线与变模技术等研究领域存在巨大的应用潜力与研究价值。本论文从DPS的物理机理出发,着眼于当前DPS在天线应用研究中的不足,重点利用DPS开展天线频带拓展、单脉冲体制应用技术研究。与此同时,基于天线与变模技术在电磁理论上具有同一性,本论文尝试探索研究了基于DPS的通用化变模技术,具体研究内容以及相关结果如下:1、针对传统基于反射式DPS天线工作带宽窄的问题(通常为3%-5%),本论文通过系统分析揭示了限制器件工作带宽的主要因素,并提出了拓展频带的有效技术途径。在此基础上,研制了基于平面对数周期结构的DPS单元与基于薄膜结构的DPS单元的两种新型宽带平面反射阵列天线,并分别开展了天线方向图与增益的实验研究,实验结果表明所提出两种新型平面反射阵列天线1-dB增益带宽均大于10%,且口径效率不低于45%。2、针对传统基于同时多波束体制的单脉冲天线在毫米波段面临体积大、加工难、价格昂贵等问题,本论文研制了一种紧凑型卡塞格伦单脉冲天线:利用DPS物理结构优势以及独特电磁特性,研制了紧凑化卡塞格伦单脉冲天线中主、副反射面,并利用SIW技术设计了配套的和差网络。最后,对Ka波段紧凑型卡塞格伦单脉冲天线开展相应实验研究,测试结果表明天线和波束最大实测增益为29.4dB,两个主平面的和差矛盾分别为3dB和5dB,这说明所设计单脉冲天线具有良好的和差波束特性,并且该天线纵向长度只有传统等效卡塞格伦单脉冲天线纵向长度的67.85%,这为推进毫米波单脉冲天线在空间紧凑平台的应用与发展奠定了技术基础。3、针对传统双频单脉冲天线中复杂的双频馈源与和差网络等问题,本论文利用DPS研制了一种紧凑化、口径复用的Ku/Ka卡塞格伦天线,相关原理实验测试结果表明该天线不仅可在中心频率35GHz处增益可达到28.57dB,而且在中心频率16GHz处增益可达到24.3dB,成功实现共口径双频天线性能。并且基于DPS的共口径双频天线具有多焦点特性,将该特性应用于双频单脉冲天线设计中可避免复杂的双频单脉冲馈源与和差网络的设计,因此,该研究内容为新型双频单脉冲天线的研制探索了一条新型技术途径。4、针对现有变模技术中普遍存在的结构应用范围单一,变模序列复杂、设计方法步骤不唯一等问题,论文从天线与变模技术在物理机理上的一致性出发,结合DPS宏观结构一致、微观单元特性可调的优势,首次提出了基于DPS的变模技术的研究思路,首先对反射式DPS的变模技术开展了深入细致地理论与实验研究。推导给出了反射式DPS对任意极化电磁波的控制条件,以几何光学法和矢量绕射理论为依据编制了DPS在变模技术中的参数分析程序,并研制了基于反射式DPS的W波段TE_(01)模式-准高斯模式的新型模式变换器。实验研究结果表明在90GHz到98GHz频带范围内,基于DPS的模式变换器成功将具有角向极化的圆波导TE_(01)模式转换为准高斯模式,并且器件输出端线极化纯度高于96.5%,有效证明了基于DPS的变模技术思路的正确性。5、针对基于反射式DPS的变模技术中存在遮挡以及输入输出波束不共轴等问题,论文在上述研究基础上,进一步开展了基于透射式DPS变模技术的研究。通过采用多层“十”字槽缝型DPS单元为理论研究对象,在深入分析并优化单元相移特性的工作基础上,提出了一种兼具模式变换与波前修正能力的透射式DPS变模天线,并给出了该变模天线的通用设计方法与步骤,并且以圆波导TM_(01)模式作为输入模式,研制了X波段的新型变模天线并开展了细致的远场与近场实验研究。测试结果表明:研制的新型变模天线不仅成功将TM_(01)模式转换成准高斯模式,在中心频点10.3GHz处准高斯模式的极化纯度为98.57%,而且辐射波束在中心频点处最大峰值增益为23.4dB。