基于Vivaldi天线的宽带宽角扫描相控阵的研究和设计

摘要

相控阵天线技术广泛应用于军事和民用领域，一直是国内外专家学者研究的热点和重点。近年来，随着通信技术的快速发展，相控阵天线正朝着宽带、宽角等高性能方向发展。宽带、宽角扫描相控阵具有增益波动小、波束扫描范围大、工作频带宽等优势。为此国内外研究者花费了大量的时间和经历研究如何使相控阵天线具有宽带、宽角扫描特性。本文选取Vivaldi天线作为阵列单元，研究、设计一些宽带、宽角扫描相控阵天线。最后加工和测试其中一款天线，测试结果表明该款天线在工作频带内具备优异的扫描特性及有源驻波特性。 本文的主要的研究内容如下： (1)基于介质基板的Vivaldi天线阵列设计与仿真 本文首先叙述了Vivaldi天线的基本理论，从理论角度证明Vivaldi天线具有宽带特性。接着从Vivaldi天线的馈线和渐变指数曲线的槽缝结构入手，设计一个基于介质基板的Vivaldi天线单元。之后，利用主从边界条件通过仿真探讨该单元处于无限大阵列环境时的性能。为了改善扫描特性，在结构中引入了寄生缺口和加载双层FSS匹配层。最后，将设计完成的阵列单元组成有限大阵列，设计了三种阵列：一维E面线阵、一维H面线阵和二维平面阵。三种阵列都表现出优良的宽带、宽角扫描特性，仿真结果显示三种阵列均可实现±60°扫描，有源驻波比均小于2.8，相对带宽为40%。 (2)全金属的Vivaldi天线阵列设计与仿真 在该部分，本文首先对比了全金属Vivaldi天线阵与介质Vivaldi天线阵的应用前景。之后，设计了一个全金属Vivaldi天线单元，发现单元间互耦令其在无限大阵列环境中的辐射特性有所下降。因此，为降低互耦因素的影响，在单元两侧引入“凹”型结构。但是“凹”型结构存在一个弊端，即天线阵在工作频带内会出现盲点现象。为了消除工作频带内的盲点效应，利用模式分析，观察盲点对应频点的电场分布，找到了盲点的产生原因并将盲点移出了工作频带内。最终设计的无限大Vivaldi阵列单元具有良好的有源驻波特性，再根据这个设计完成的单元组成了一个16×16的有限大阵列，仿真结果显示该金属阵在相对带宽为40%的频带内可以实现±60°扫描，且有源驻波比均小于2.5。 (3)实物加工与测试 根据16×16全金属阵列模型，对其进行加工和实测。将仿真结果与测试结果进行了对比。结果表明实测方向图在工作频段范围内与仿真结果基本吻合，有源驻波比略有偏大。上述结果表明本文设计16×16的全金属Vivaldi天线阵列具有良好的宽带、宽角扫描特性。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 基于介质基板的Vivaldi相控阵

1.2.2基于全金属的Vivaldi相控阵

1.3 章节安排

第二章 天线阵的基本理论

2.1 引言

2.2.1 一维线阵

2.2.2 二维平面阵

2.3 天线阵的互耦效应

2.3.1 互耦的分析方法

2.3.2 耦合效应对方向图和增益的影响

2.3.3 盲点现象

2.4本章小结

第三章 基于介质基板的Vivaldi 天线单元及其阵列设计

3.1 引言

3.2 Vivaldi天线基本理论

3.2.1 Vivaldi天线的宽带特性

3.2.2 Vivaldi天线电流分布

3.3 天线单元设计与仿真

3.3.1 馈电结构的设计

3.3.2 天线槽缝设计

3.3.3 单元的仿真结果

3.4 无限大加载两层FSS且有寄生缺口的Vivaldi阵列设计与仿真

3.4.1 无限大阵列单元的设计与仿真

3.4.2 盲点的消除

3.5 Vivaldi天线阵列设计和仿真结果

3.5.1一维E面阵的设计和仿真结果

3.5.2 一维H面阵的设计和仿真结果

3.5.3 二维平面阵的设计和仿真结果

3.6本章小结

第四章 全金属的Vivaldi 天线阵列设计与仿真

4.1 引言

4.2 无限大全金属Vivaldi天线单元的设计和仿真

4.3 “凹”型结构设计

4.4 盲点处理

4.4.1 模式分析

4.4.2 仿真验证与移除盲点

4.5全金属16×16的Vivaldi天线阵列设计和仿真

4.6本章小结

第五章 实物加工与测试

5.1 16×16阵列的加工

5.2.1有源单元方向图测试

5.2.2阵列方向图测试和仿真对比

5.3 16×16阵列的有源驻波比测试

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间的研究成果