微帶共形陣列天線研究與應用.pdf

1、近幾十年來，平面陣列天線的研究取得了長足的進展，并在很多領域得到了廣泛的應用，但同時也暴露出一些難以克服的缺陷。例如，波束掃描角度范圍有限，隨著波束掃描角度的增大增益降低波瓣變寬等。而共形陣列天線作為平面陣列天線概念的延伸，可以很好的解決這些難題。另一方面，微帶天線，因為其低剖面、重量輕、低成本、易共形等優(yōu)點是設計共形天線時理想的天線形式。微帶共形天線整合了兩者的優(yōu)勢，在未來有著非常廣泛的應用前景。
　　盡管微帶天線具有諸多優(yōu)勢，

2、但是也有一些不足之處有待改進，例如帶寬窄，前后比受制于地板大小，會在介質(zhì)中激勵起表面波加劇陣列環(huán)境中陣元間互耦等。本論文旨在傳統(tǒng)微帶天線基礎上，研究一些新方法新機理以改善微帶天線性能，拓展其在共形天線當中的應用，主要工作及創(chuàng)新點概括如下：
　　第一、基于負介電常數(shù)傳輸線(ENG TL)的環(huán)加載微帶天線單元及陣列研究。
　　提出了一種改善微帶天線性能的新方法，即在傳統(tǒng)微帶天線周圍加載基于ENG TL的寄生環(huán)。與傳統(tǒng)微帶天線相比

3、，通過該方法可以展寬天線阻抗帶寬，減小水平方向及后向輻射，抑制介質(zhì)中表面波激勵，降低陣列環(huán)境中陣元間的互耦。首先，基于這種新方法，設計了線極化與圓極化的單元天線，并與傳統(tǒng)微帶天線做對比，通過對ENG TL單元結構色散分析以及天線關鍵參數(shù)的討論闡述了這種新方法的工作機理。其次，考察了基于ENG TL的環(huán)加載微帶天線單元共形于圓柱載體時，載體半徑的變化對天線性能的影響。最后，探索了基于ENG TL的環(huán)加載微帶天線在共形陣列天線當中的應用，設

4、計和分析了沿圓錐載體母線方向共形的均勻線陣，沿圓錐載體周向共形的均勻線陣和沿圓柱載體共形的稀布線陣，并且結合有源方向圖方法和雜草入侵算法對陣元幅相分布進行優(yōu)化以達到設計目的。為了驗證方法和設計的有效性，加工了天線單元和陣列實物并進行了測試，實測與仿真結果吻合良好。
　　第二、基于高次模的背腔縫隙天線研究。
　　傳統(tǒng)微帶天線陣設計通常采用外接饋電網(wǎng)絡的方式來給陣元饋電，雖然可以實現(xiàn)高增益，但是饋電網(wǎng)絡的加入一方面增加了天線的設

5、計和加工難度，另一方面引入插損降低了天線效率。針對這個問題，提出利用腔體高次模的饋電方法，可以在不需要外接饋電網(wǎng)絡的情況下即可實現(xiàn)較高增益。首先采用這種饋電方法分電激勵和磁激勵設計了兩款單點饋電線極化背腔高增益縫隙天線，接著在這基礎上通過加蓋一層極化轉(zhuǎn)換器將線極化天線轉(zhuǎn)變成圓極化天線，并且天線圓極化狀態(tài)可以通過極化轉(zhuǎn)換器旋向來調(diào)整。其次，通過增加腔體介質(zhì)厚度的電尺寸和加載圓孔的方式，成功實現(xiàn)了一款可用于毫米波頻段的寬帶高增益高效率背腔縫

6、隙天線。再次，討論了基于高次模的背腔縫隙天線共形于圓柱載體時，載體半徑的變化對天線性能的影響。最后，將基于高次模背腔縫隙天線應用到共形天線設計當中，分三種不同的應用場景分別設計了垂直極化全向天線，基于TE150模式的柱面共形相控陣天線和通過開關切換可實現(xiàn)半空間圓極化覆蓋的準球面共形天線陣。
　　第三、高隔離度準共形微帶天線陣研究。
　　在很多實際的陣列天線應用當中，往往期望陣元之間具有較高的隔離度。本文結合實際應用，設計了可