C波段高增益波导缝隙全向天线设计

摘要

本文将通常用于X和Ku波段的波导缝隙天线应用到C波段，设计了工作在此频段的高增益水平极化全向天线，该天线实现了同轴探针直接馈电，克服了X和Ku波段上必须过渡馈电的限制，实现了天线的一体化；同时，本文采用不同厚度的四块铝片组装成波导形式，在保证对天线性能影响不大的前提下，克服了标准波导所带来的局限性，并大大降低了天线制作成本。围绕上述问题，本文主要进行了以下研究： 1、波导缝隙阵列天线综合设计的研究。选取宽面纵向缝隙作为波导缝隙天线阵的阵元，对其进行了理论分析和求解，得到了单个纵向缝隙谐振电导、谐振长度与缝隙偏置三者之间的相互关系；对缝隙宽度的确定进行了分析；给出了缝隙的矩形端头与半圆端头间的等效公式。分析了缝隙间的互耦，在C波段上对相邻间距为λ<,g>/2的两个等长的纵向缝隙进行了理论计算和仿真，由计算和仿真结果得到以下结论：互耦将会使频带变窄，并改变缝隙的谐振长度。采用有源导纳法对波导宽面纵向缝隙谐振线阵天线进行研究；分析了影响缝隙谐振线阵带宽的诸多因素。 2、改进的探针形式用于天线馈电设计。分析了探针式馈电的工作原理以及匹配问题；给出了工程上常用的几种展宽带宽的措施和微调装置的配置。采用遗传算法对馈电探针进行了优化设计，对初始种群的设定以及适应度函数的选择问题进行了分析研究，给出了基于MGA(Micro Genetic Algorithms)和FEM(Finite Element Method)的馈电探针优化设计流程。本文设计了一个工作于C波段的同轴探针，同时采用了将探针位置偏离波导宽面中心一定距离和在探针伸入波导部分的顶端连接一个半球状小金属球两个措施来展宽其工作带宽，通过以上介绍的优化流程进行仿真计算，在5.6GHz～5.85GHz的频带范围内得到VSWR<1.3。 3、根据前两部分的研究内容设计了一个工作在C波段水平极化的全向波导缝隙阵列天线。根据设计要求并考虑到实际加工工艺的限制，该天线利用4块厚度不同的铝片组装成波导，在此波导的上宽面和下宽面沿纵向分别设置十二个圆头缝隙，上宽面的缝隙与下宽面的缝隙对称分布，相邻缝隙沿波导宽面中心线两侧以一定的偏移量交错排列形成缝隙阵列，波导一端采用同轴探针直接馈电，另一端短路。阵元分别采用均匀分布和D-T(Dolph-Tchebyscheff)分布，天线总长约582mm。采用有限元法对两种阵列分布形式进行仿真计算，在5.6GHz～5.85GHz的频带范围内VSWR<1.5；E面方向图全向性良好，最大增益分别达到了13.99dBi(均匀分布)和13.82dBi(D-T分布)，不圆度均控制在了±1.5dB范围内；H面方向图一3dB波束宽度分别为5.8度(均匀分布)和7.2度(D-T分布)，旁瓣电平均低于0dBi，且主瓣都无倾角；仿真结果表明阵元排列采用D-T分布的天线阵的整体性能优于采用均匀分布天线阵的性能。由于该天线是利用4块厚度不同的铝片组装成的波导为载体，本文对此载体的改进进行了有效可行性验证，结果证明了本文这样的改进对天线性能影响并不大，同时这样的改进还可以大大降低天线的加工成本。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1波导缝隙全向天线的研究背景

1.2波导缝隙天线的理论发展

1.3波导缝隙天线的分类

1.4波导缝隙天线阵的设计方法

1.5波导缝隙天线的辐射原理

1.6本文的研究内容

第二章波导缝隙天线基本原理及分析

2.1波导宽面纵向缝隙分析

2.1.1史蒂文生(A.F.Stevenson)表示式

2.1.2易宏跃(Hung Yuet Yee)计算式

2.1.3电导、电纳和谐振长度

2.1.4缝隙宽度的影响

2.1.5缝隙的矩形端头与半圆端头间的等效

2.2缝隙间的互耦

2.2.1缝隙间互耦阻抗的等效电路和计算方法

2.2.2振子耦合阻抗

2.2.3理论计算与仿真结果比较

2.3矩形波导宽面纵向缝隙阵列天线的分析

2.3.1有源导纳法设计纵向缝隙谐振阵

2.3.2缝隙谐振线阵的带宽

2.4本章小结

第三章缝隙天线馈电分析与设计

3.1同轴探针馈电原理

3.2采用遗传算法优化同轴馈电探针介绍

3.2.1遗传算法的运算过程

3.2.2小种群遗传算法

3.2.3初始种群设定

3.2.4适应度函数的选择

3.3 MGA优化设计同轴馈电探针

3.4本章小结

第四章波导缝隙阵列天线设计

4.1设计要求

4.2设计方案分析

4.3设计载体——波导的设计

4.4辐射缝隙的设计

4.4.1缝隙尺寸

4.4.2缝隙中心偏移距离

4.5同轴馈电探针的设计

4.6天线建模仿真计算及其结果分析

4.6.1均匀分布谐振阵

4.6.2 D-T分布谐振阵

4.6.3均匀阵与D-T阵结果比较

4.7设计载体改进的有效可行性验证

4.8有限元数值计算方法的验证

4.9天线装配

4.10本章小结

第五章总结

5.1本文总结

5.2进一步的工作

参考文献

攻读硕士学位期间的论文和获奖情况

致谢