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基于SIW技术的宽角扫描平面相控阵天线的研究

刘春梅  
【摘要】:相控阵天线通过控制各端口馈入的相位,来实现阵列天线的波束偏转,也称电扫描,相较于传统的机械扫描阵列天线,相控阵天线具有扫描速度快、扫描精准的优点。其中,平面相控阵天线具有成本低、易集成、重量轻等优点,因此得到了广泛的应用。然而,平面相控阵天线扫描角度有限,通常需要多个子阵协同完成宽角范围内的低增益波动扫描。本文主要从拓宽平面天线单元的波束宽度入手,结合基片集成波导(substrate-integrated waveguide,简称SIW)技术,改造平面天线结构,并结合特定模式的表面波,获得具有宽带宽波束宽度的天线单元,利用宽波束天线单元进行组阵,实现宽角扫描。本论文的主要研究内容概括如下:首先简要说明了平面相控阵天线扫描范围有限的问题,介绍了宽角扫描平面相控阵天线的研究现状。设计了一款微带贴片等效短磁偶极子,并用于宽角扫描平面相控阵天线中。利用SIW技术,短路原贴片天线的两个辐射边,改变矩形贴片边界条件,重构贴片场分布,并通过中心开缝,构造不连续性,获得邻近地板放置的单个等效磁流源,实现具有E面宽波束特性的紧凑磁偶极子,并用于E面以及H面宽角扫描。提出了一款具有低剖面的印刷偶极子天线单元,并用于宽角扫描平面相控阵天线中。利用SIW技术,将印刷振子天线两端短路,并在振子中心开缝,构成不连续点,形成等效E面点源,获得E面宽波束特性,并用于E面宽角扫描相控阵天线中。设计了基于SIW技术的低剖面电磁偶极子天线,用于实现E面H面对称的辐射方向图,并用于E面以及H面的宽角扫描。首先指出了微带贴片等效短磁偶极子天线在H面出现较高交叉极化水平的主要原因,并对其进行改造,同时,结合电磁偶极子的概念,设计了一款具有E面H面辐射方向图对称的低剖面等效电磁偶极子,该天线在E面和H面均具有较低的交叉极化水平。利用该单元进行组阵,可实现E面和H面的宽角扫描,同时交叉极化水平较低。利用多层层压技术,提出结构紧凑的SIW背腔圆形贴片天线以及SIW背腔悬置圆形贴片天线,并用于H面宽角扫描线阵的构建。利用SIW腔体控制在接地介质基板中传播的表面波模式,并利用表面波在接地介质基板截断处的衍射,改善贴片阵列天线在低仰角处的增益,实现一定带宽内的宽角扫描。针对圆形贴片天线H面线阵,通过增加介质板厚度,使其支持第一TE_1模式的表面波传播,利用SIW技术,在圆形贴片邻近位置放置金属通孔,抑制TM_0模式表面波,同时保留TE_1模式表面波,从而改善H面线阵在低仰角处的主极化增益。根据圆柱形谐振腔的模式多样性,设计了联合奇TM_(010)、TM_(110)以及TE_(111)模式的宽带圆柱形SIW背腔缝隙天线。首先对比矩形谐振腔与圆柱形谐振腔低次模式分布情况,通过对比可用于实现理想方向图的谐振模式个数,选取具有模式多样性的圆柱形谐振腔,同时对圆柱形谐振腔侧壁以及上表面进行缝隙加载,拉近可用模式之间的频率间隙,从而实现宽带内的阻抗匹配。与其他基于多谐振模式的SIW宽带天线相比,该天线具有横向尺寸小的优势,有利于构建宽带宽角扫描平面相控阵天线。最后归纳和总结了本文的主要工作,展望了下一步的研究工作。


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