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介质谐振器天线及基片集成波导馈电的圆极化阵列设计

卢亮  
【摘要】:通信、雷达、电子对抗和电子侦查等系统的迅速发展,对天线性能的要求越来越高。在不同的应用场景下,要求天线具有不同的性能,如小型化、低成本、高增益、低副瓣、圆极化等。圆极化天线通信容量大,且具有抗多径效应和极化失配的能力,因而广泛应用于现代通信系统中。近年来,介质谐振器天线因其具有很高的辐射效率和功率容量,因而在特定的通信系统中获得了较多的关注。同时,基片集成波导由于具有高品质因数、低剖面、低成本和易于平面集成等优点而广泛应用于微波有源和无源器件中,尤其在天线和馈电网络中。因此,研究圆极化介质谐振器天线和基片集成波导馈电的圆极化阵列具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本文主要对介质谐振器天线设计和基片集成波导馈电的圆极化阵列设计进行了深入的研究。论文的主要研究成果可以归纳为:1.基于多模式谐振的介质谐振器天线的研究。首先,针对圆极化介质谐振器天线带宽窄的问题,本文基于介质谐振器的多模式理论提出了一种阶梯形宽带圆极化介质谐振器天线。设计了开缝地板和阶梯形介质谐振器使得介质谐振器天线激励出两对正交的模式,且这两对正交模式会产生两个圆极化谐振点。通过选择合适的参数,使得天线具有46%的圆极化带宽。其次,针对同一面馈电的介质谐振器天线很难实现双圆极化和介质谐振器剖面较高的问题,本文在国内外首次提出同一面馈电的低剖面双圆极化介质谐振器天线。通过选择合适的谐振模式,天线两端口分别在19.8%和22.1%的带宽内实现不同的圆极化特性,同时天线剖面仅有0.069λ。巧妙设计了一个去耦网络使得天线两个端口的隔离度达到了22.5dB。实测结果表明两种介质谐振器天线性能良好。2.基于基片集成波导的圆极化天线设计。为了满足现代无线电系统对高增益圆极化天线的需求,本文研究了几种基片集成波导馈电的圆极化天线。首先,本文设计了基片集成波导馈电的圆极化环形天线单元,此天线具有结构简单、高增益、易于集成的特点。其次,设计了双向辐射的圆极化线阵。该天线可以在两个主方向同时实现右旋圆极化,且具有高增益特性。然后,通过分析环形天线单元缝隙偏移距离与缝隙长度和归一化电导值之间的关系,设计出了低副瓣圆极化线阵,测试结果表明天线在中心频率处具有15.4dBic的增益、65%的口径效率、-22dB的副瓣电平和0.57dB的轴比。最后,结合差分进化算法,优化各个单元近场电场强度分布,进一步减小MATLAB和HFSS的仿真误差,设计出副瓣电平测试结果为-27.4dB的圆极化线阵。3.基于基片集成波导的圆极化介质谐振器线阵设计。首先设计了基片集成波导馈电的圆极化介质谐振器天线,分析了天线相关模式,研究了圆极化产生的相关机理,在此基础上给出基片集成波导馈电的圆极化介质谐振器天线设计步骤。然后,设计了高增益基片集成波导馈电的圆极化介质谐振器线阵,分析了线阵的归一化电导值与馈电缝隙偏移量和缝隙长度之间的关系。最后,设计了低副瓣高增益高效率的介质谐振器圆极化线阵。加工了天线阵列模型,测试结果表明天线电性能达到了设计指标要求。4.基于背腔式基片集成波导馈电的圆极化介质谐振器阵列天线设计。传统面阵设计馈电网络较为复杂,且馈电损耗较大,特别是在阵列单元较多的情况下。因此本文设计了背腔式基片集成波导馈电的介质谐振器阵列天线。首先设计了基片集成波导缝隙馈电的圆极化介质谐振器天线,在此基础上研究了腔体模式作为天线阵列的馈电形式,进而用基片集成波导实现了腔体的模式,提出了背腔式基片集成波导馈电的4×4单元圆极化介质谐振器天线阵列。该天线在谐振点处轴比可达0.36dB,最大增益16d Bic,最大辐射效率和口径效率达到94%和76%。然后,以此阵列为单元,仿真分析了大规模天线阵列,并运用差分进化算法,设计了低副瓣的大规模天线阵列,MATLAB与HFSS仿真结果吻合良好。


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