互耦效应在天线阵列设计中的研究与应用

摘要

随着社会的发展和科学技术的进步，现代通信技术得到了飞速地发展，在军用和民用中所产生的数据越来越大。不管是在即将到来的5G时代还是方兴未艾的物联网中每时每刻都进行着大量的信息交换，并且通信数据量呈现出爆炸式增长的趋势。天线在通信系统中充当信息的发送和接收的角色，其重要性不言而喻。根据香农定理，带宽越宽可传输的信息量也就越大，所以超宽带天线也就应运而生；从美观、安装方便和易于共形的角度，天线需要满足低剖面的要求。在通信系统中使用多天线不仅可以减小瑞利衰落的影响还可以增大通信系统的数据量，但是一般的相控阵天线，都会受到地板和天线单元之间互耦的影响而降低通信系统的性能。近年来出现一种新型超宽带天线：紧耦合天线阵列。它具有超宽带、易于安装、低剖面的特点，可以有效地解决上述问题。本文基于紧耦合天线阵列设计思想，对阵列天线的互耦效应进行了研究与利用。
　　本研究主要内容包括：⑴分析了平面紧耦合天线的原理。首先分析了地板对平面天线阻抗和带宽的影响。然后研究了紧耦合天线阵列的等效电路和阻抗，讨论了带有地板平面天线在天线上层和下层添加不同材料的介质层可实现的极限带宽。⑵设计了一种紧耦合超宽带交织螺旋天线，天线的带宽为5GHz-30GHz(6:1)，并对其在不同频率时的方向图进行了研究与分析。采用主从边界的方法在对天线优化后，设计仿真了一个3×3的阵列，该天线阵列具有良好的增益带宽和轴比带宽。对常用的平衡馈电巴伦进行了分析，设计了一款共面波导到平衡微带线转换的馈电巴伦，带宽1GHz-9.5GHz，该巴伦具有结构简单便于加工，易与天线集成等优点。⑶研究了紧耦合偶极子天线阵列。首先采取无限周期性结构的方式对天线单元进行了仿真优化，分析了天线的电路等效，分别从场和路的两种思想对耦合效应对天线带宽的影响进行了讨论。然后分析了有限单元天线阵列的边缘截断效应，并采用延长边缘单元天线臂的方式有效的减小了边缘截断效应。最后设计了一个8×8天线阵列并对阵列的扫描性能进行了分析。最终实现了天线阵列在1.4GHz-8.4GHz(6:1)的带宽范围内VSWR<2，在0-45°扫描时也天线具有很好的性能。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2课题背景与研究现状

1.3本文的主要研究工作与内容安排

第二章 紧耦合超宽带天线阵列的基本理论

2.1紧耦合相控阵的基本理论和实现方式

2.2地板对天线的影响

2.3宽角匹配技术

2.4本章小结

第三章 紧耦合交织螺旋天线与平衡Balun馈电的研究与设计

3.1超宽带交织螺旋天线单元的设计

3.2交织螺旋天线阵列的分析与研究

3.3平衡Balun馈电的研究与设计

3.4本章小结

第四章 紧耦合超宽带偶极子天线的研究与设计

4.1基于周期边界的天线单元设计

4.2天线阵列的设计与分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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