基于多谐振特性的单层平面反射阵列研究

论文摘要

平面反射阵列结合了抛物面反射镜天线和阵列天线的优点,自1978年提出就受到很高的重视,90年代之后开始快速发展。但是,平面反射阵列也继承了微带天线带宽窄的缺点。本文旨在研究一种新型的宽频带单元结构,以扩展阵列带宽。论文同时给出了单元相移特性的详细计算方法以及平面反射阵列的设计过程。单元设计的目标是在宽频带内获得良好的相移特性。第一步工作是要获得充足的相位动态范围,为提高相移特性的平滑度提供基础。通过研究单层多谐振结构的工作原理,并对振子和方形环单元进行分析,提出一种由振子和截断矩形环构成的四谐振结构,即“双D形”结构单元。“双D形”结构单元既能够增加单元谐振点的个数,获得充足的相位动态范围,又能够有效控制单元尺寸,避免因阵元间距过大而导致栅瓣产生。设计好单元后,需要对其相移特性进行计算。研究了广义散射矩阵结合矩量法（GSM-MoM）,给出利用该方法计算单元相移特性的详细过程。得到充足的相位动态范围后,需要对单元进行优化,以获得平滑的相移特性。首先以“双C形”结构作为对象,研究谐振单元谐振频率的比例及基板材料等参数对单元相移特性的影响。在此基础上,对“双D形”单元进行优化,给出了“双D形”单元的优化过程。优化后单元在7-10GHz带宽内获得了良好的相移特性,其带宽相比文中双层堆叠结构提高了近一倍,相比缝隙耦合结构提高了约65%。与其它单层多谐振结构相比,“双D形”单元的优势在于既能够增加谐振点个数,又控制了单元尺寸,而多谐振振子等结构只能满足其中一个条件。最后,为验证“双D形”单元设计的有效性,设计并制作了一个12×13单元的平面反射阵列。对其辐射特性进行仿真计算和实测,结果表明,实测增益与仿真值吻合,在7-10GHz频带内,该阵列获得45 %左右的口径效率,验证了单元设计的有效性。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究历史与现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 平面反射阵列概述
• 2.1 平面反射阵列的基本概念
• 2.2 阵列理论基础
• 2.2.1 直线阵
• 2.2.2 面阵
• 2.3 平面反射阵列的主要技术指标
• 2.3.1 相移特性
• 2.3.2 频带宽度
• 2.3.3 口径效率
• 2.4 平面反射阵列的设计要点
• 2.4.1 单元设计
• 2.4.2 馈源设计
• 2.4.3 阵列设计
• 2.5 单元相移特性分析方法
• 2.6 传统宽频带技术
• 2.6.1 多层堆叠结构
• 2.6.2 缝隙耦合结构
• 第三章 基于单层多谐振特性的单元设计
• 3.1 单层多谐振结构的工作原理
• 3.2 单层多谐振结构举例
• 3.2.1 双谐振振子
• 3.2.2 双谐振方形环
• 3.3 基于单层多谐振特性的单元设计
• 3.3.1 振子与方形环比较
• 3.3.2 矩形环与振子构成的双谐振结构
• 3.3.3 方形环与截断方形环对比
• 3.3.4 矩形环截断前后与振子构成的双谐振结构对比
• 3.3.5 半矩形环与振子的间距对相移特性的影响
• 3.3.6 “双D形”结构单元设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 单元相移特性分析及优化
• 4.1 矩量法
• 4.2 单层周期结构的广义散射矩阵
• 4.3 广义散射矩阵级联
• 4.4 单元相移特性优化
• 4.4.1 谐振单元臂长对相移特性的影响
• 4.4.2 谐振单元间距对相移特性的影响
• 4.4.3 基板材料对相移特性的影响
• 4.4.4 “双C形”结构与双层堆叠结构对比
• 4.4.5 “双D形”结构相移特性优化
• 4.5 本章小结
• 第五章 单层多谐振平面反射阵列设计
• 5.1 馈源设计
• 5.2 单层多谐振平面反射阵列设计
• 5.3 实例设计及测试结果
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 一、全文总结
• 二、展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢