微带反射阵及低剖面谐振腔天线研究

论文摘要

现代雷达、无线通信和电子对抗等领域的飞速发展和电子设备的不断升级对天线提出了越来越高的要求。微带反射阵列和谐振腔天线由于具有体积小、重量轻、馈电简单、波束可赋形和控制、易于加工、成本低廉等特点,逐渐受到人们的关注且已成为天线领域的重要研究方向。本文紧密结合研究课题,以宽带微带反射阵和低剖面谐振腔天线为设计目标进行了深入研究。所取得的主要研究成果可概括为:1.作为研究工作的基础,首先对基于谱域矩量法和Floquet模式展开理论的平面周期结构全波分析方法进行了研究。在谱域中建立了单层周期结构的电场积分方程,并采用Galerkin方法来求解。多层周期结构则通过广义散射参数的级联技术进行分析。最后,通过数值实验验证了谱域矩量法的准确性。2.基于Fabry-Perot干涉理论设计了高增益的低剖面谐振腔天线。首先,将平面电磁带隙结构作为谐振腔天线的地板,极大地降低了腔体的高度。其次,在低剖面谐振腔中嵌入圆极化工作的微带贴片实现了天线的高增益圆极化辐射特性。最后,基于人工电磁材料覆层高反射率及低反射相位的特性,提出了一种无需电磁带隙结构地板的高增益低剖面谐振腔天线。3.提出了一种亚波长矩形贴片反射阵单元结构,将其用于反射阵中实现了反射阵天线的线-圆极化转换功能。与传统的谐振型贴片相比,亚波长贴片具有不同频率相位响应曲线更加一致的特性,从而展宽了天线的工作带宽。另外,利用一种新颖的亚波长单元设计了一个基于单元旋转技术的圆极化反射阵天线。由该单元的旋转引起的相位补偿与频率无关,因此该反射阵能够在较宽的频带范围内实现良好的增益和圆极化辐射性能。4.对大口径赋形波束反射阵天线进行了深入研究。首先,研究了基于交集方法的限相位综合技术,并利用该技术综合得到了反射阵口面的相位分布。为避免陷入局部极值,提出了一种产生合理初始点的方法。由该初始点出发,利用具有一致性约束的简单交集方法进行综合可得到理想的结果。实际制作了一个双频双极化赋形波束的反射阵天线并进行了实验测试。测试结果验证了设计方法的正确性。在大口径反射阵天线的宽带设计中,首先,提出了一种确定馈源最佳位置的方法,利用该方法可使反射阵的空间相位延迟差最小化。其次,提出了用于赋形波束反射阵的改进优化方法。该方法在中心频率和上下边频点处同时优化阵列单元的结构尺寸,以满足目标相位分布。基于上述方法,设计了一个用于卫星通信的宽带大口径反射阵天线,该天线具有覆盖中国国土区域的双极化波束。计算结果表明了所用优化设计方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容及作者的主要工作
• 第二章 平面周期结构的数值分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 谱域矩量法
• 2.3 数值结果
• 2.4 小结
• 第三章 高增益低剖面谐振腔天线研究
• 3.1 引言
• 3.2 Fabry-Perot 谐振腔天线工作原理
• 3.3 基于电磁带隙结构地板的低剖面谐振腔天线研究
• 3.4 基于人工电磁材料覆层的低剖面谐振腔天线研究
• 3.5 小结
• 第四章 宽频带高增益微带反射阵天线研究
• 4.1 引言
• 4.2 微带反射阵天线基本概念
• 4.3 宽带亚波长单元及其在极化转换反射阵中的应用
• 4.4 基于单元旋转技术的宽带圆极化反射阵天线研究
• 4.5 小结
• 第五章 大口径赋形波束反射阵天线研究
• 5.1 引言
• 5.2 赋形波束反射阵天线设计方法
• 5.3 反射阵天线馈源设定及近-远场变换关系
• 5.4 赋形波束反射阵天线阵列综合方法
• 5.5 赋形波束反射阵天线设计方法的初步实验验证
• 5.6 大口径反射阵天线的阵列结构设计
• 5.7 宽带赋形波束反射阵天线的优化设计方法
• 5.8 星载双极化双覆盖区域反射阵天线设计
• 5.9 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文研究的主要成果
• 6.2 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果