混合馈电宽带圆极化天线及其阵列技术研究

摘要

圆极化天线由于具有发射接收极化角度的任意性、抑制法拉第旋转效应的影响、抗多径干扰等优点，广泛地应用于卫星通信、定位导航、射频识别等各类无线通信系统中。现代高速率、大容量的无线通信系统对天线的带宽以及带宽内的辐射性能提出了更高要求。因此，本文结合科研课题，以无线通信系统对宽带圆极化天线的需求为背景，对微带天线的圆极化宽频带方法、圆极化天线的宽带馈电方法以及基于耦合效应的宽带圆极化微带天线阵列展开了研究。作者的主要工作可以概括为:
　　1.对带线探针混合馈电结构的宽带圆极化微带天线进行了研究，提出了带线探针混合馈电结构在宽带定向圆极化天线和宽带双圆极化微带天线中的设计方法。研究了带线探针混合馈电的单馈点切角圆极化微带天线，采用增加天线高度的方法来展宽天线的圆极化带宽，而带线探针混合馈电解决了单个探针馈电阻抗不匹配的问题;研究了L形带线与探针混合馈电的双馈点圆极化微带天线，混合馈电结构具有功率分配、相位延迟和阻抗匹配的作用，所设计的天线不需要额外的馈电网络，具有尺寸小、带宽宽的特点;研究了L形带线与探针混合馈电的双圆极化微带天线，通过激励方形贴片的对角线模式，再利用L形带线的四分之一波长传输模式，在保证天线宽带双圆极化性能的前提下两个端口仍获得了好的隔离度。对三种带线探针混合馈电的圆极化天线均加工了实物并测试，测试结果与仿真结果吻合良好，验证了带线探针混合馈电结构的有效性。
　　2.对缝隙结构混合馈电的宽带圆极化天线进行了研究，分析了缝隙结构混合馈电来展宽天线圆极化带宽和改善辐射性能的作用。设计了中心加载十字形缝隙的方形贴片和加载H形缝隙的切角贴片，采用缝隙-双线混合馈电的方式获得了对称的辐射方向图和较低的交叉极化，验证了缝隙-双线混合馈电结构比传统探针馈电更优越的辐射性能;设计了加载弯折缝隙的印刷振子天线，在一对振子臂上加载弯折缝隙引入的电容分量为交叉振子在较宽频带内提供90°的相位差，再加上同轴线-带线-缝隙混合馈电结构，该天线在无需额外相移网络的情况下仍获得宽的圆极化带宽;研究了加载电磁带隙结构的宽带圆极化天线，采用4×4的矩形周期电磁带隙结构对旋转45°缝隙的两个等效正交辐射场产生相位差90°的相位延迟，成功设计了蘑菇形结构和高阻抗表面结构的两种低剖面宽带圆极化天线。对三组缝隙结构混合馈电天线进行实物加工并测试，验证了仿真结果。
　　3.对加载旋转耦合单元的宽带圆极化天线进行了研究，采用多种形式的旋转耦合结构来增加天线的带宽。设计了加载旋转耦合切角贴片的微带天线，激励出旋转切角贴片的“线-圆-线”辐射模式，获得了比单个切角贴片宽的圆极化带宽;设计了加载旋转金属片的宽带圆极化微带天线，加载的耦合旋转金属片在天线的轴比曲线中引入新的谐振点，拓宽了天线的圆极化带宽，此外对比了缝隙-双线混合馈电和探针耦合馈电两种馈电结构在该天线设计中对方向图性能的影响;设计了加载旋转缝隙的宽带全向圆极化天线，结合旋转缝隙的环形电流和竖直金属片上的垂直电流以辐射出全向圆极化波，而加载另一组的旋转耦合缝隙在阻抗曲线中引入新的谐振点展宽了天线的阻抗带宽。三类天线的实测结果均表明旋转耦合技术能够获得宽的圆极化带宽。
　　4.对基于耦合效应的宽带圆极化微带阵列进行了研究。研究了方向一致紧密排布的切角贴片阵列，研究了其阵元间距、阵元耦合与阵列轴比带宽、阵列增益间的关系，成功建立了采用带线探针混合馈电的2×2和4×4的一致紧密排布阵列。研究了依次旋转紧密排布的贴片阵列，通过减小阵元间距解决旋转阵列在对角面交叉极化高的问题，分别研究了旋转方形贴片和旋转切角贴片的有源阻抗，最后建立了二阶带线探针混合馈电的旋转切角贴片阵列，利用切角贴片中的两个谐振模式获得了较宽的增益带宽。分别对两种阵列加工了2×2阵元的实物，实测结果验证了基于耦合效应圆极化阵列性能的优越性。

目录

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摘要

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 宽带圆极化微带天线的研究现状

1．2．2 新型馈电方式宽带圆极化微带天线的研究现状

1．2．3 宽带圆极化微带天线阵列的研究现状

1．3 论文主要工作和内容安排

1．3．1 论文的主要工作

1．3．2 论文的内容安排

第二章 基础理论概述

2．1 引言

2．2 圆极化微带天线简述

2．2．1 圆极化天线

2．2．2 圆极化微带天线

2．2．3 圆极化微带天线的带宽描述

2．3 圆极化微带天线及其阵列宽频带技术

2．4 小结

第三章 带线-探针混合馈电的宽带圆极化天线

3．1 引言

3．2 带线探针混合馈电单馈点宽带圆极化天线

3．2．1 天线的基本结构

3．2．2 天线的参数分析

3．2．3 天线的测试结果

3．3 带线探针混合馈电双馈点宽带圆极化天线

3．3．2 天线的基本结构

3．3．3 天线的性能分析

3．3．4 天线的测试结果

3．4 带线探针混合馈电的宽带双圆极化天线

3．4．1 对角线馈电的带线探针混合馈电圆极化天线

3．4．2 带线探针混合馈电双圆极化天线的基本结构

3．4．3 天线参数分析

3．4．4 天线的测试结果

3．5 小结

第四章 缝隙结构混合馈电的宽带圆极化天线

4．1 引言

4．2 缝隙-双线混合馈电的宽带圆极化天线

4．2．2 天线的基本结构

4．2．3 天线的参数分析

4．2．4 天线的测试结果

4．3 加载弯折缝隙的宽带圆极化印刷振子天线

4．3．1 天线的基本结构

4．3．2 天线的参数分析

4．3．3 天线的测试结果

4．4 加载电磁带隙结构缝隙耦合馈电的低剖面宽带圆极化天线

4．4．1 天线的基本结构

4．4．1 天线的性能分析

4．4．2 天线的测试结果

4．5 小结

第五章 基于旋转耦合技术的宽带圆极化天线

5．1 引言

5．2 加载旋转耦合切角贴片的宽带圆极化微带天线

5．2．2 天线的基本结构

5．2．3 天线的参数分析

5．2．4 天线的测试结果

5．2．5 具有四个有源阵元的耦合旋转阵列的仿真

5．3 加载旋转耦合矩形金属片的宽带圆极化天线

5．3．2 天线的基本结构

5．3．3 天线的参数分析

5．3．4 天线的测试结果

5．4 加载旋转耦合缝隙的宽带全向圆极化天线

5．4．1 天线的基本结构

5．4．2 天线的结构分析

5．4．3 天线的测试结果

5．5 小结

第六章 基于耦合效应的混合馈电宽带圆极化阵列

6．1 引言

6．2 基于耦合效应排布一致的宽带圆极化微带天线阵列

6．2．1 天线阵列基本结构

6．2．2 天线工作原理分析

6．2．3 4x4一致排布阵列设计

6．2．4 天线测试结果

6．3 基于耦合效应依次旋转的宽带圆极化微带天线阵列

6．3．1 天线阵列基本结构

6．3．2 天线工作原理分析

6．3．3 4x4旋转阵列设计

6．3．4 天线测试结果

6．4 小结

第七章 结论和展望

参考文献

致谢

作者简介