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径向线阵列天线与小型化单元天线研究

杨熙  
【摘要】:随着小型合成孔径雷达、小型卫星系统以及微波毫米波系统的蓬勃发展,人们对系统中的天线部分提出了多方面的要求。天线设计不仅仅需要满足通常的增益以及带宽的指标,更重要的是要在天线成本、效率、体积和重量方面获得突破。径向线阵列天线是一种高效率、结构紧凑、馈电简单、体积小、成本低廉的平面阵列,从上世纪的90年代得到了快速的发展和广泛的关注。本文紧密结合研究课题,对径向线阵列天线的快速分析与设计方法、低成本高效率径向线阵列天线以及小型化单元天线进行了深入的研究。所取得的主要研究成果可概括为: 1.基于矩量法基本原理以及径向线缝隙阵列的等效网络模型,对方程求解中的网络矩阵参数的物理意义进行了讨论,提出了一种结合全波电磁仿真软件进行参数修正的等效网络分析方法。实际中采用HFSS软件分别建立了各类网络参数的提取模型,对探针自导纳、缝隙自导纳、缝隙互导纳以及电流传递系数等参数进行了提取。此外,还对传统计算中不准确的单缝远场假设进行了修正。最后采用Matlab编写了计算程序,通过对算例的分析,表明该方法显著地提高了计算精度,拓展了等效网络模型算法分析复杂结构的能力。 2.在径向线缝隙阵列天线设计中引入印刷工艺的介质覆铜板结构,提高了口径面缝隙的加工精度并降低了天线的制造成本,同时也提高了天线配置的灵活性。另一方面,对圆环阵列的栅瓣问题进行了深入的分析,提出了无介质填充的径向线缝隙阵列天线,消除了天线的介质损耗,降低了结构的复杂度。然后基于无介质填充的印刷口面结构,设计了一款X波段的线极化Mini-SAR缝隙阵列天线,采用了匹配缝隙的设计以进一步提高天线效率,并针对端口反射系数不理想的问题提出了两种简单有效的匹配结构。最后,为了验证设计方法的有效性,实际加工制造了一副天线,测试结果与仿真值吻合良好。 3.采用单元与腔体独立分析的方法,并利用馈电结构的对称性,加入了一种局部等效分析模型,使得径向线探针馈电阵列天线的求解速度得到提高。同时,因为该模型还充分考虑了腔体内馈电探针的互耦影响,因此在一定条件下也可以获得较高的计算准确性。基于此模型,对口径面上不同位置的探针耦合能量进行分析,优化了具有均匀口面激励分布的馈电网络,配合低剖面的螺旋辐射单元设计获得了高增益的笔形波束。对天线模型进行了加工与测试,最终结果与设计吻合较好,证明了方法的有效性。 4.基于对单极子天线以及倒L形天线谐振特性以及方向性的分析,提出了一种具有双弯折结构的倒L形天线结构,以满足低剖面径向线探针馈电阵列天线的要求。该天线工作在三次模式并呈现对称的空间电流分布,导致了它具有低剖面以及法向辐射的特点。利用该结构,分别设计了线极化与圆极化的小型化低剖面单元天线。在圆极化天线的设计中,引入了“正交相位”的设计思想,使得天线具有非常紧凑的结构。为了易于加工制造并提高单元天线的结构强度,引入介质印刷工艺并结合实际需要,设计并加工了一副应用于RFID手持阅读器的集成天线。最后,提出一种利用辐射片加载谐振结构技术实现改进方向图特性的小型化印刷单极子天线,结合一双频天线设计对该方法进行了详细阐述,结果证明了方法的有效性。


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