基于FSS的宽带圆极化器和微带反射阵天线的研究与设计

摘要

圆极化波在现代雷达和卫星通信系统中有着非常重要的应用。一方面，圆极化波能够克服多径效应，另一方面，圆极化波较之于线极化波提供更优质的传播特性。由于微波器件大多产生线极化波，因此设计圆极化器实现线圆转化是非常重要的研究课题。基于FSS的宽带圆极化器结构简洁，便于加工调测，易于加载其他线极化天线，具有很大的应用优势。
　　随着高频雷达系统和远距离通信的发展，高增益天线就变为必需。传统的实现方法有抛物面或者相控阵天线，抛物面天线又重又大而且由于其曲面结构加工难度大，而相控阵雷达可以实现宽角度的扫描波束，但是其成本高，损耗大。因此基于 FSS的微带反射阵天线可以有效弥补这些缺点，具有低剖面、质量轻、且方向图可重构等优势，具有潜在的工程应用前景。
　　为此，本文通过综述FSS的应用研究，设计了X波段的基于FSS的宽带圆极化器和极化选择器，同样还设计了一款X波段基于FSS的微带反射阵天线。本文具体的研究内容简介如下：
　　1.设计完成了一款基于双层FSS的宽带圆极化器。该结构单元由S型半圆环金属带和两个圆形贴片组成，通过优化阵列单元尺寸，得到一个 X波段的宽带圆极化器。在9GHz-11.5GHz范围内轴比小于3dB，工作带宽超过2GHz，同时两个正交极化分量TE极化和TM极化透射系数均大于0.8，传输频带随入射角的变化小。为了验证该圆极化器的性能，设计加工了一个20×20单元的阵列，通过在暗室测试，结果显示在9.5GHz-11.5GHz频带内轴比均小于3dB，且两个正交的极化分量透射系数大于0.78，由此设计得到一个X波段的结构简洁的宽带圆极化器。
　　2.设计完成了一款多层 FSS级联的极化选择结构，该结构由两个圆极化器和一个线极化器级联组装，能够透射LHCPW而反射RHCPW。通过实物加工、组装和测试，设计的极化选择结构在9.2GHz-11.2GHz频段，RHCPW传输系数小于-20dB而使LHCPW传输系数大于-2.5dB，实现了良好的极化选择功能，研究具有极化选择特性的FSS对提高天线抗干扰性能和探测能力具有重要意义。
　　3.设计完成了一款基于FSS的微带反射阵天线。该反射阵的“灯笼”型单元是双谐振环结构，通过尺寸变化来获取所需的相移量。通过单元组阵后实现10GHz的微带反射阵列，馈源采用标准锥形喇叭天线和正反渐变槽天线，进行仿真设计，既实现波束聚焦也大幅提高了增益。经过加工实测，本文设计的微带反射阵天线能够实现X波段的波束聚焦功能，也展示了反射阵的整体设计过程。
　　本文设计的圆极化器和微带反射阵天线都是基于 FSS单元的，设计过程均采用HFSS的Floquet端口，实测证明，该解决方案的仿真设计是比较准确又简洁的。

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第一章 绪论

1.1 本文研究背景与意义

1.2 国内外研究动态

1.3 本文主要的研究内容

第二章 频率选择性表面的基础理论

2.1 FSS的特性

2.2 FSS的结构参数

2.3 Floquet定理

2.4 FSS的最新应用研究

第三章 圆极化波与微带反射阵天线基础理论

3.1 圆极化波理论

3.2微带反射阵天线理论

第四章 基于FSS的宽带圆极化器和极化选择结构的设计

4.1 HFSS和CST对周期性结构的建模与分析方法

4.2 X波段宽带圆极化器的设计

4.3 X波段宽带极化选择器的设计

第五章 基于FSS的微带反射阵天线的设计

5.1相移单元设计

5.2馈源设计

5.3微带反射阵天线的设计

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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