近场微带反射阵列天线综合设计

摘要

抛物面天线从诞生以来就一直在卫星通信,深空探测以及超视距雷达等应用中扮演着重要角色。但随着现代通信系统的不断发展,抛物面天线由于难以与飞行器共形,加工过程复杂且成本较高,需要额外的馈电网络才能实现较大的方向图扫描角度等原因已经逐渐难以适应各种新型应用的要求。为了克服抛物面天线的缺陷并尽可能保留其优点,国外学者提出了平面微带反射阵列天线这一概念,这种天线结构既继承了抛物面天线高增益,高效率的优点,同时也具有低剖面,易共形,加工成本低的特性,且不需要使用复杂的馈电网络便可以实现多波束工作和方向图扫描。由于以上这些优势,自从该结构于1978年被提出后便受到了国内外学者的广泛关注并伴随微带天线技术的发展在近三十年时间里得到了快速的发展完善。
　　 本文在总结以往学者研究成果的基础上针对反射阵列天线近场应用这一新兴领域,分别设计了单/双频反射阵列天线并对其进行近场contour pattern综合。
　　 首先在对反射阵列天线聚焦原理和相位补偿机制深入分析的基础上,设计了应用于单频阵列的双层堆叠结构阵元和应用于双频阵列的双方环嵌套结构阵元;针对微带反射阵元窄带宽,移相幅度过小的缺陷分析设计了新型分形阵元,并使用H-wall waveguide simulator模型研究了各种阵元的反射特性。在此基础上编程实现了SDM(Steepest Decent Method)天线综合算法,仿真并实际制作测量了一款2.4GHz近场反射阵列天线,实测结果与仿真结果吻合良好,天线在距离口径面1m处的聚焦平面上形成了0.5×0.5m2的聚焦区域,区域内电场呈现一致分布的contour patternm。
　　 为了实现双频工作,在此基础上使用新型的双方环嵌套结构阵元仿真设计了一款工作于915MHz/2.4GHz的双频近场反射阵列天线,两个频段分别使用两个馈源独立馈电,仿真实验结果表明在距离天线口径面2m处的聚焦平面上两个频段分别产生了0.5×0.5m2的聚焦区域,区域内电场呈现一致分布的contour pattern。
　　 综上所述,我们针对近场RFID(Radio Frequency Identification)系统设计了两款结构新颖的单/双频微带反射阵列天线,并尝试设计了矩形结构,十字偶极子结构,多谐振分形结构等多种阵元形式。在阵列设计中从FSS(FrequencySelective Surface)的角度对阵列的耦合特性进行了分析和改进,相关研究成果已经发表学术论文两篇,设计制作的天线可以很好的满足近场RFID系统的要求,探测范围和灵敏度相对传统天线有很大提升,且抗干扰能力强。本文的研究工作对丰富反射阵列天线近场方向图综合的理论研究有一定的参考应用价值。