周期性结构及其在天线上的应用

摘要

随着新型电磁材料的发展，有关人工磁导体（Artificial magnetic conductors:AMC）和频率选择表面（Frequency selective surface:FSS）等结构的研究和它们在天线上应用已经成为微波领域的研究热点之一。本文主要对AMC表面用于天线实现低剖面、AMC表面用于降低目标雷达散射截面（Radar Cross section:RCS）从而实现隐身、以及多频段FSS作为反射面天线的副反射面等方面来展开研究，设计了基于AMC的低剖面宽频带缝隙天线和蝶形天线以及缝隙天线阵列和蝶形天线阵列、可有效降低RCS实现目标隐身的宽频带AMC阵列以及FSS作为副反射面的多频段反射面天线。为验证设计的可行性和仿真结果的准确性，笔者还对上述天线进行加工并测试其特性。笔者主要的研究内容可概括为： 1.对AMC的同相反射相位特性进行了研究，并设计了以AMC结构作为接地板的低剖面宽频带缝隙天线。首先在辐射缝隙上加载改进的C形枝节，提出了一个宽频带共面波导（CPW）馈电的平面缝隙天线；然后，提出了一个覆盖缝隙天线工作频带的宽频带AMC表面，将其置于缝隙天线下方作为接地板，在实现低剖面的同时改善其阻抗匹配以及辐射特性。从测试结果可以看出，此天线的工作频带是7.64-14.58GHz（62.47%），最高增益可以达到10.26dBi，并且此缝隙天线还具有较高的前后比特性和低交叉极化特性。基于此缝隙天线，设计了工作在X频段1×8的缝隙天线阵列，阵列的阻抗带宽为8-11GHz，电性能较好。 2.根据AMC的同相反射相位特性，提出了两种基于AMC结构的宽带低剖面高增益蝶形天线。首先，通过不同的枝节加载，提出了两种工作在不同频段的宽频带蝶形天线；然后根据它们的工作频带，设计了覆盖蝶形天线工作频带的两种不同的AMC阵列作为接地板。此外，为了进一步提高低剖面蝶形天线的增益，并减小旁瓣和后瓣，在两个AMC接地板的周围加载一圈金属围栏。测试结果表明，此两种蝶形天线均具有宽频带低剖面并且高增益特性。基于WiMAX频段蝶形天线，设计了4×4的蝶形天线阵列，阵列的阻抗带宽为2.4-3.6GHz，具有较好的性能。 3.利用不同AMC单元之间的相位差特性，研究了AMC阵列实现减缩RCS的方法，并设计了两种用于减缩RCS的AMC阵列。首先，提出了一种单层的AMC阵列，在11.6-28.1GHz频段内实现了两单元间有效的相位差（143°-217°）特性，单元按照风扇形排列，增加不同单元模块之间交界边，从而增加两者的干涉特性，可以更有效的将能量散射到雷达探测不到的方向上；然后，提出了一种双层结构的棋盘式AMC阵列，利用中间的空气层，使两单元的相位曲线变化平缓，从而获得94.06%的相位差带宽，并将其进行棋盘式排列形成具有宽带RCS减缩特性的AMC阵列。测试结果与仿真结果的一致性表明，此两种AMC阵列均可用于宽频带内实现隐身。 4.研究了多频FSS以及多频反射面天线的设计方法，利用FSS来作为副反射面，反射面天线可允许两个不同频段的馈源同时工作，实现频段复用。提出Ku/K/Ka三频段FSS来作为反射面天线的副反射面，在Ku频段内反射电磁波，在K和Ka频段内实现透射，采用方环与六边形环和六边形贴片相结合的单元结构实现在每个频段内的宽频带特性，多层FSS结构的设计保证斜入射角和极化的稳定性，以及在多频段内的低损耗特性。接着，对Ku频段和K/Ka频段轴向槽波纹喇叭进行设计，实现了低交叉极化以及旋转对称的主极化方向图，作为反射面的两个馈源。最后，研究了多频带反射面天线的设计方法，将K/Ka频段馈源置于反射面天线的焦点处，FSS放在反射面与焦点之间，Ku馈源位于K/Ka馈源关于FSS对称的位置，使得K/Ka频段馈源发出的电磁波透过FSS入射到反射面，而Ku频段的电磁波经FSS反射到反射面上，最后两频段的馈源发射到反射面上的电磁波再由反射面反射而发射出去。通过GRASP仿真软件对多频段反射面系统进行仿真，得到反射面天线远场方向图。从仿真结果可以看出，此多频段反射面天线在Ku频段内口径效率高于55%，K/Ka频段内口径效率高于64%，基本满足要求。

目录

声明

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1周期性结构的研究背景

1.2人工磁导体的研究背景、意义以及研究现状

1.3频率选择表面的研究背景和研究意义以及研究现状

1.4本文研究内容安排

第二章 周期性结构的基础理论及应用

2.1人工磁导体

2.2频率选择表面

2.3本章小结

第三章 基于人工磁导体的宽频带平面缝隙天线

3.1引言

3.2覆盖X和Ku频段的宽带低剖面缝隙天线的设计

3.3缝隙天线阵列设计

3.4本章小结

第四章 人工磁导体表面在蝶形天线上的应用

4.1引言

4.2宽频带高增益蝶形天线

4.3可覆盖WiMAX频段的高增益低剖面蝶形天线

4.4 WiMAX频段蝶形天线阵列设计

4.5本章小结

第五章 人工磁导体表面在减缩雷达散射截面上的应用

5.1引言

5.2人工磁导体结构用于减缩雷达散射截面的原理

5.3由两种单元结构构成的单层人工磁导体阵列

5.4用于减缩RCS的双层人工磁导体阵列设计

5.5本章小结

第六章 频率选择表面及其在反射面天线上的应用

6.1引言

6.2多频段频率选择表面的设计

6.3基于FSS副反射面的多频段反射面天线的设计

6.4本章小结

第七章 总结

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

作者简介