基于人工电磁材料的电扫描天线的分析与研究

摘要

相控阵技术可用于控制天线阵列的波束指向，相比传统的机械扫描方式，阵列波束的扫描速度更快，精度更高。随着相控阵技术在目标搜索、识别、跟踪等方面的广泛应用及发展，具有宽角、低副瓣扫描特性的相控阵天线成为天线领域研究的焦点。为了实现相控阵天线的宽角、低副瓣扫描特性，本文把人工电磁材料应用到天线的设计中，研究并分析了加载人工电磁材料的天线单元特性及阵列的扫描特性。 移相器是相控阵天线中的重要器件。移相器的特性会影响相控阵的性能。传统的基于铁氧体、变容二极管及开关型移相器，存在体积大、响应速度慢、功耗大、插入损耗大、成本高等问题。而液晶材料在高频段(大于10GHz)的物理特性稳定，损耗小，且液晶的介电常数在偏置电压的作用下可发生变化。基于液晶材料的移相器，由于具有结构设计简便、损耗小、相位可连续调节、成本低等优势，成为近年来研究的热点。 基于以上研究背景，本文把一种蘑菇型结构的负介电常数传输线(Epsilon Negative Transmission Line，ENG TL)单元用于天线的设计中，来降低互耦；还将一种支持表面波传播的高阻抗表面结构用在天线的设计中，以展宽天线的波束宽度，实现相控阵天线波束的宽角扫描。为了实现相控阵天线的电扫描特性，把液晶材料用在移相器的设计中。具体工作总结如下： 第一、基于ENG TL结构的天线设计。 ENG TL结构用在天线单元的设计中，可以有效降低阵列环境中天线间的互耦，减小天线的后向辐射。但是加载ENG TL结构，会使天线单元的尺寸增大，在阵列环境中不得不增大阵元间距，导致阵列出现栅瓣。而本文通过在天线及ENG TL结构中合理开槽，实现了天线单元的小型化，将其应用于相控阵中，增大了阵列的扫描范围，再结合阵列综合算法降低了阵列扫描过程中的副瓣电平。最后通过在中心辐射贴片开槽，产生两个相位差90°的简并模分离单元，实现了天线单元的圆极化辐射。 第二、基于高阻抗表面的天线设计。 以经典的蘑菇型结构为基础，设计了矩形结构的蘑菇型单元，并通过开缝实现了结构单元的小型化，分析了单元结构参数对频率带隙特性的影响。在带隙频段外，根据这种结构支持表面波传播的特性，设计了宽波束天线单元并组成阵列，通过控制每个阵元的馈电相位，实现了阵列的宽角扫描。 第三、基于液晶材料的移相器设计。 基于液晶材料的介电各向异性，在传统微带线移相器结构的基础上，把液晶材料作为微带线的填充介质，设计了一种相移量可调的微带线移相器。分析了影响微带线移相器性能的各种结构参数，最终设计的微带线移相器具有较大相移量，低插入损耗，小型化的特性。 在需要较大相移量的情况下，微带线移相器的尺寸会增大。而反射型移相器，通过合理设计反射负载的结构，可以降低移相器的尺寸。传统的加载开关元件或变容二极管电抗网络的反射型移相器，工作频率升高时，插入损耗增大。而以液晶材料为介质的负载电抗随着液晶介电常数的变化而改变，并且工作频率升高时，液晶的物理特性保持稳定，损耗也更低，取代传统的变容二极管或开关元件，可以有效提高移相器的性能。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题背景及研究目的和意义

1.2 国内外现状

1.2.1 人工电磁材料的研究现状概述

1.2.2 人工电磁材料在相控阵中的应用现状

1.3 本文的主要研究内容和章节设置

第二章 基本理论概述

2.1 复合左右手传输线基本理论

2.1.1 传输线方程

2.1.2 色散特性

2.1.3 有损耗的CRLH TL特性

2.1.4 本构参数

2.1.5 CRLH TL的类型及实现

2.2 ENG TL基础理论

2.2.1 ENG TL等效电路模型

2.2.2 ENG TL的谐振特性

2.2.3 Mushroom like结构的ENG TL

2.3.1 高阻抗表面概念

2.3.2 高阻抗表面和表面波

2.3.3 周期结构形式的高阻抗表面

2.4 本章小结

第三章 基于负介电常数结构的天线单元和相控阵设计

3.1.1 加载ENG TL的天线单元结构

3.1.2 加载ENG TL结构的微带天线单元的小型化

3.2 基于加载ENG TL的微带天线的相控阵天线

3.2.1 基于加载ENG TL的微带天线的一维扫描相控阵

3.2.2 基于加载ENG TL的微带天线的二维扫描相控阵

3.3 加载ENG TL结构的圆极化微带天线

3.4 基于ENG TL的天线单元及阵列特性的实验验证

3.5 本章小结

第四章 基于高阻抗表面的宽角扫描相控阵

4.1 高阻抗表面单元的设计

4.1.1 高阻抗表面单元的分析方法

4.1.2 高阻抗表面单元的设计

4.2.1 基于高阻抗表面天线单元的设计

4.2.2 基于高阻抗表面的宽角扫描阵列设计

4.3 本章小结

第五章 基于液晶材料的移相器研究和设计

5.1 液晶材料的基本理论概述

5.1.1 液晶的种类及应用

5.1.2 液晶分子指向矢分析计算理论

5.1.3 液晶介电常数的各向异性

5.1.4 液晶的封装

5.2.1 微带线移相器原理

5.2.2 微带线移相器单元设计

5.2.3 多个移相器单元级联的分析和设计

5.3 基于液晶材料的反射型移相器研究和设计

5.3.1 反射型移相器原理

5.3.2 基于液晶材料可调负载的反射型移相器

5.3.3 基于液晶材料的反射型移相器的小型化设计

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果