ESPAR阵列天线研究及设计

论文摘要

电控无源阵列天线,简称ESPAR天线（Electronically Steerable Parasitic Array Radiator Antenna）,由中心激励振子、加载可调电抗的寄生振子以及地板构成,具有波束扫描功能。ESPAR天线以其结构简单、控制方便等优点,在车载、机载等移动通信系统中得到了较为广泛的应用。本文对单端口电激励的无源ESPAR阵列天线以及改进型的ESPAR阵列天线进行了研究,作者的主要工作概括为:1.针对ESPAR阵列天线的分析与优化设计问题,概述了天线常用的分析与优化设计方法,重点讨论天线加载计算方法和粒子群优化算法（PSO）。在此基础上,编写了计算机程序,并以150MHz加载对称振子天线为例,验证了算法与程序的有效性。2.在仿真计算的基础上,分析了三单元ESPAR阵列天线中心激励振子、引向振子和反射振子之间的电流关系,找出了满足电流关系的最佳加载电抗值。仿真结果显示,最佳加载电抗值可使天线增益提高、方向性加强。3.设计了两种开关控制的ESPAR阵列天线,即宽带单层寄生振子ESPAR天线和双频带双层寄生振子ESPAR天线。前者由笼型的中心激励振子和周围均布的六个寄生振子构成,具有宽频带工作特性;后者由笼型的中心激励振子和周围均布的两层各六个寄生振子构成,具有双频工作特性。实际设计并制作了天线样机并进行测试,结果显示前者工作于1.4-1.9GHz,水平方向增益约为6-7dBi;后者工作于1.48和1.82GHz,水平方向增益约为7-8dBi。此外,在第二种天线中设计并使用了阻抗匹配网络,用来改善天线带内电压驻波比（VSWR）。4.提出了一种改进型的ESPAR阵列天线,即由等功分馈电网络直接馈电的开关控制的四单元ESPAR阵列天线。与传统的ESPAR阵列天线相比,该天线在保持单端口馈电的同时,克服了传统的ESPAR阵列天线输入阻抗易受寄生振子状态影响的缺点。实际设计了工作频带2.3-2.55GHz天线,水平方向增益约为5.5dBi,带内VSWR小于2:1。

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 本文主要工作及章节安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 天线的分析计算及优化设计方法
• 2.1 天线的分析计算
• 2.1.1 集总加载线天线上电流分布的海伦积分方程
• 2.1.2 积分方程的近似解
• 2.2 天线的优化设计
• 2.2.1 粒子群优化算法原理
• 2.2.2 粒子群优化算法参数分析
• 2.3 设计实例--150MHZ 集总加载对称振子天线
• 2.3.1 天线设计
• 2.3.2 天线优化
• 2.3.3 参数优化分析与讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 单层与双层ESPAR 阵列天线设计
• 3.1 二元天线阵
• 3.1.1 二元阵
• 3.1.2 寄生振子
• 3.1.3 间距四分之一波长相差90°等幅二元阵的方向性
• 3.2 ESPAR 阵列天线
• 3.2.1 ESPAR 天线概述
• 3.2.2 ESPAR 天线模型的布局及特征
• 3.2.3 ESPAR 天线阵元间的耦合及导纳矩阵
• 3.2.4 ESPAR 天线阵元的电流分布及电长度
• 3.2.5 ESPAR 天线波束控制及有效地面的影响
• 3.3 电抗加载的ESPAR 阵列天线设计及优化
• 3.3.1 ESPAR 阵列天线建模及振子电流关系讨论
• 3.3.2 三振子和七振子单元ESPAR 阵列天线优化及分析
• 3.4 开关控制的ESPAR 阵列天线设计
• 3.4.1 开关控制的单层寄生振子ESPAR 阵列天线设计
• 3.4.2 开关控制的双层寄生振子ESPAR 阵列天线设计
• 3.4.3 宽带匹配的原理与分析
• 3.4.4 双频带开关控制的双层寄生振子ESPAR 阵列天线设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 改进的ESPAR 阵列天线设计
• 4.1 等功分微带馈电网络理论分析
• 4.1.1 三端口网络S 参数
• 4.1.2 Wilkinson 功分器
• 4.2 天线设计及仿真结果
• 4.2.1 天线基本结构
• 4.2.2 天线仿真结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 总结
• 5.2 后期工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间研究成果