法布里天线及其组阵研究

摘要

随着各种不同应用场景的出现，天线作为通信技术中的重要部件，越来越多样化。宽带、高增益已经成为必然的发展趋势。相比传统的高增益天线，Fabry-Perot谐振腔天线增益高、结构简单，成为近几年的研究热点，但是它的增益带宽与阻抗带宽较窄。此类天线由馈源天线和反射面组成，一般是以电磁新材料和介质板为覆层来构造反射面来提高增益。以此为背景，本文设计了基于介质板的Fabry-Perot谐振腔天线，并将介质通孔与介质板相结合获得了渐变介电常数分布，最终实现了更高的增益。除此之外，进行了相关实验，验证了该设计的可行性。 论文围绕Fabry-Perot谐振腔天线理论展开研究，主要内容包括： (1)借助SIW移相器，研究了介质通孔对介电常数的影响，总结出介质通孔的半径、数目以及x、y方向间距的变化引起的相位差的变化，从而得到了这几个变量和介电常数之间的关系，并将其应用到单元天线的设计中。 (2)Fabry-Perot谐振腔单元天线：设计了以缝隙耦合贴片天线为馈源，厚度1.2mm的FR4为空气腔，厚度1.27mm的Rogers3210和1.016mm的Rogers RO4003C为介质覆层的单元天线，该单元工作频段在27.5-29.5GHz。并给出了包含介质通孔覆层和无介质通孔覆层的单元天线近场处的电场分布图，加载寄生贴片后的缝隙耦合贴片天线作馈源将相对阻抗带宽提高到了11.12%，天线增益约为11.67dB。最后加工了实物，对仿真和测试结果进行了对比。 (3)Fabry-Perot谐振腔天线阵列：设计了一分四的馈电网络，功分器拐角处的圆弧形设计减少了阻抗不连续性，对于驻波的改善有很大作用。阵列天线是由4个单元构成的直线阵，阵元间距0.95λ0，天线的副瓣小于-10dB，增益约为16.03dB。 (4)设计了两种可以实现波束偏转的单元，分别是基于圆形介质覆层的单元和基于正方形覆层的单元。前者通过介质通孔的不均匀分布可以实现小角度的波束偏转，E面和H面的偏转角度分别为6°、2°。后者通过偏置加载在馈源上方的正方形介质覆层可以实现大角度的偏转，偏移量越大，偏转角度越大；将天线覆层偏移1mm、2mm、-1mm、-2mm，波束偏转角度分别是8°、14°、-12°、-22°。最后用基于正方形介质覆层的单元组阵，同样通过偏置介质覆层实现了小角度的波束偏转。

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