波束偏转超表面天线的研究与设计

摘要

随着无人驾驶技术、无人机技术及智能交通技术的发展，运动平台的防撞技术得到了学术界和工业界的广泛关注。典型的防撞技术包括微波雷达、激光雷达、光学视觉以及超声雷达等。毫米波防撞雷达凭借着高精度、小型化、低功耗以及全天时全天候适应性等优点，成为了最有前途的防撞手段之一。毫米波防撞雷达主要由收发天线、射频前端电路和后端信号处理模块三部分组成。由于天线位于系统的最前端，负责电磁信号的发射和回波信号的接收，其指标是否优良关系到雷达整体性能的优劣。因此，本课题围绕无人机毫米波防撞雷达上的微带阵列天线和波束偏转技术进行深入的研究与设计。 首先，对本文所研究的课题背景、意义以及国内外现状进行分析、总结和对比，在此基础上对毫米波微带天线及超材料的研究与设计方法进行系统的学习。 根据天线设计理论，本文基于无人机防撞技术对毫米波雷达提出的指标要求，研究并设计了一种77GHz毫米波收发微带阵列天线。该天线由一个发射阵列和两个接收阵列组成，其中发射阵列由44个矩形辐射单元组成，发射增益31.21dBi、方向图中E面和H面3dB波束宽度分别为9.25°和9.34°、副瓣水平为-21.69dB和-20.47dB、驻波比低于2。由于该发射天线具有高增益、窄波束和低副瓣等特点，它可以很好地满足探测距离、角度分辨率及信噪比等系统指标对发射天线提出的要求。为了实现对方位角度的测量，该系统采用了两个接收天线，接收天线由12个辐射单元以二维阵列的形式组成，接收天线增益为16.46dBi、方向图中E面和H面3dB波束宽度分别为36°和13.98°。 此外，在实际应用场景中，复杂的飞行环境对无人机侧向障碍物的探测也提出了要求。为了避免机架及旋翼对探测产生干扰，侧向防撞雷达也要求安装在无人机的前端。为了保证结构的紧凑性，本文设计了一种加载超表面材料的波束偏转天线，其由三层介质板组成，微带天线单元位于底层介质板上，上面两层介质板上均放置一个超材料单元。根据波束倾斜理论设计工作频率在W波段、带宽为75GHz-79GHz的超材料结构单元，利用电磁仿真对超材料结构进行优化，得到加载双层超表面材料的波束偏转天线。仿真结果表明，该微带天线可以实现48°的波束偏转，且增益较未加载超表面材料时提高了34.6%。

目录

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.2.1 微带阵列天线的研究现状

1.2.2 超材料的研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 天线设计的基本理论及超材料的理论计算

2.1 微带天线的基本原理

2.2 微带天线的馈电方法

2.3 微带天线分析方法

2.3.1 传输线模型法

2.3.2 空腔模型分析法

2.4 微带阵列天线分析

2.4.1 N元等幅线阵

2.4.2 N元不等幅线阵

2.4.3 平面阵

2.5 微带阵列天线的馈电网络

2.5.1 串联馈电网络

2.5.2 并联馈电网络

2.6 超材料电磁参数的计算方法

2.7 本章小结

第三章 77GH高增益窄波束微带阵列天线设计与仿真

3.1 微带阵列天线的性能指标

3.2 微带天线单元的设计

3.2.1 微带天线单元尺寸的计算

3.2.2 微带天线单元馈电设计及仿真优化

3.3.1 线阵馈电结构的计算

3.3.2 线阵结构仿真

3.3.3 面阵馈电结构的计算

3.3.4 面阵馈电结构的仿真

3.4 发射天线的设计与仿真

3.5 接收天线的设计与仿真

3.5.1 接收天线的设计

3.5.2 接收天线仿真结果

3.6 天线间的互耦

3.7 本章小结

第四章 波束偏转超表面的设计与仿真

4.1 波束偏转理论

4.2 波束偏转超构单元结构设计与仿真

4.3 加载单层超表面材料的波束偏转天线仿真

4.4 加载双层超表面材料的波束偏转天线仿真

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果