波导裂缝阵天线以及宽带微带天线的研究和设计

论文摘要

波导裂缝阵天线以及微带天线因各自的优点而成为当今天线领域的研究热点。波导裂缝阵列天线容易实现低或极低副瓣，因而被广泛用作导弹导引头天线、机载雷达天线等。而微带天线体积小、重量轻、低剖面，这些特点使它广泛应用于无线通信领域。围绕这两个主题，本文包括了四个方面的工作：研究和设计(1)波导裂缝阵天线(2)宽带微带天线(3)宽带微带天线阵(4)宽带和差网络。在波导裂缝阵天线的设计中，根据Elliott的缝阵理论，探讨了波导驻波线阵、面阵以及行波阵的设计流程，并给出了每种阵列的设计方程及设计实例，基于Fortran语言所搭建的计算模块具有一定的通用性，可以根据阵列的形式进行调用。此外，还充分利用仿真软件Ansoft HFSS研究了各种激励缝包括纵向缝、螺钉加载纵向缝、倾斜缝的谐振特性，研究结果对于波导裂缝阵的设计具有较好的参考价值。在宽带微带天线的设计中，根据天线带宽的展宽技术设计了三种新型的宽带微带天线：首先，从馈电装置入手，分别研究了四种共面波导馈电装置对于单贴片微带天线的谐振频率以及带宽的影响，分析比较了几种耦合缝的馈电特性，并运用变频思想对馈电装置进行改进，从而设计出了一阻抗带宽达28.9％的宽频带天线；接着，从贴片形状入手，结合耦合馈电技术，采用有限时域差分(FDTD)方法设计了一Ku波段宽频带U型缝贴片天线，该天线阻抗带宽达50％，增益带宽为33％。通过改变U型缝和地板上馈电缝的尺寸，天线的宽带特性被转化为了双频特性；最后，从短路技术入手，设计了一个短路贴片天线，其带宽达到了52％。在微带天线阵的设计中，全面地研究了阵元间的互耦规律并提出了一种新型的宽带馈电网络，在此基础上设计出了8×8和2×2的微带天线阵。最后研究了一类比较特别的天线馈电网络：和差网络。本文分别利用宽带相位补偿技术和0dB耦合技术设计出了宽带的波导和差网络以及微带和差网络。并根据微波网络的等效原理，利用新型的微带功分器以及反相巴伦设计出了一超宽带和差网络。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 波导裂缝阵天线的研究背景及意义
• 1.2 宽带微带天线的研究背景及意义
• 1.3 宽带和差网络的研究背景及意义
• 1.4 本论文的主要工作和内容安排
• 第二章 波导裂缝阵天线的设计
• 2.1 波导裂缝阵天线的组成及各部分的作用
• 2.1.1 波导裂缝类型、等效电路
• 2.1.2 波导裂缝阵的类型
• 2.1.3 波导裂缝阵天线的组成
• 2.1.3.1 辐射阵面
• 2.1.3.2 耦合波导
• 2.1.3.3 馈电波导
• 2.2 波导裂缝阵天线的理论研究
• 2.2.1 纵向裂缝的电场分布
• 2.2.2 纵向裂缝阵的三个设计方程
• 2.2.2.1 第一设计方程
• 2.2.2.2 第二设计方程
• 2.2.2.3 第三设计方程
• 2.3 波导缝隙阵的阻抗匹配问题的讨论
• 2.3.1 辐射波导的匹配
• 2.3.2 耦合波导的匹配
• 2.3.3 馈电波导的匹配
• 2.4 驻波阵计算实例
• 2.4.1 波导馈电缝隙直线阵列的设计
• 2.4.1.1 设计流程
• 2.4.1.2 设计实例
• 2.4.2 波导馈电缝隙平面阵列的设计
• 2.4.2.1 设计流程
• 2.4.2.2 设计实例
• 2.5 行波阵计算实例
• 2.5.1 行波阵设计流程
• 2.5.2 设计实例
• 2.6 应用HFSS软件对波导馈电装置的研究
• 2.6.1 纵向缝的谐振特性
• 2.6.2 螺钉加载的纵向缝的谐振特性
• 2.6.3 中心倾斜缝的谐振特性
• 第三章 宽带微带天线的设计
• 3.1 微带天线的数值分析方法
• 3.1.1 矩量法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 时域有限差分法
• 3.1.4 本文所用的仿真软件
• 3.2 微带天线的馈电方法
• 3.2.1 微带线馈电
• 3.2.2 同轴线馈电
• 3.2.3 电磁耦合馈电
• 3.3 天线参数的测量方法
• 3.3.1 天线S参数的测量
• 3.3.2 天线方向图的测量
• 3.3.3 天线增益的测量
• 3.4 共面波导馈电的微带天线
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 模型分析
• 3.4.3 结果比较与讨论
• 3.4.4 共面波导馈电的双层贴片天线的设计
• 3.4.5 小结
• 3.5 U型缝贴片天线
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 模型分析
• 3.5.3 利用FDTD方法对参数进行研究
• 3.5.4 宽频带U型缝贴片天线的设计
• 3.5.5 双频U型缝贴片天线的设计
• 3.5.6 小结
• 3.6 接地短路贴片天线
• 3.6.1 概述
• 3.6.2 天线模型
• 3.6.3 结果分析
• 第四章 微带天线阵的设计
• 4.1 共面馈电凹口矩形贴片元间的互耦研究
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 互耦模型的理论分析
• 4.1.2.1 E面耦合
• 4.1.2.2 H面耦合
• 4.1.3 天线阵元间的互耦研究
• 4.1.3.1 阵元的设计
• 4.1.3.2 介电常数对于阵元间互耦的影响
• 4.1.3.3 介质厚度对于阵元间互耦的影响
• 4.1.4 具有正交辐射场的天线元间的互耦
• 4.1.5 小结
• 4.2 新型的宽带馈电网络
• 4.2.1 理论分析以及公式推导
• 4.2.2 馈电网络的设计
• 4.2.3 结果分析
• 4.2.4 小结
• 4.3 8×8的天线阵
• 4.4 2×2的天线阵
• 第五章 宽带和差网络的设计
• 5.1 概述
• 5.2 宽带波导和差网络的设计
• 5.2.1 波导90度耦合器
• 5.2.2 等效180°耦合器
• 5.2.3 波导和差网络的设计
• 5.3 微带和差网络的设计
• 5.3.1 概述
• 5.3.2 宽带微带和差网络的设计
• 5.3.3 超宽带微带和差网络的设计
• 5.3.3.1 理论分析
• 5.3.3.2 宽带巴伦的设计
• 5.3.3.3 空气桥的设计
• 5.3.3.4 超宽带180度耦合器的设计
• 5.3.3.5 超宽带和差网络的设计
• 5.3.3.6 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 硕士期间论文发表情况
• 致谢