宽波束天线和多极化天线技术研究

摘要

随着信息科学技术的飞速发展，无线电系统正得到越来越广泛地应用。这对无线系统的最前端-天线提出了更高的要求，如期望天线具有宽波束特性扩展信号的覆盖范围，宽频带或者多频带特性增大信息容量，多极化或者圆极化特性以增强抗多径干扰的能力。本文针对相控阵天线大角度扫描以及通信系统缓解多径衰落的需要，对宽波束天线及其阵列，多极化天线的应用开展了一系列的研究，给出了相应的解决方案。本论文的主要内容和工作概括如下：
　　1.对宽波束天线及其阵列，多极化天线带宽扩展技术的研究现状和发展趋势进行了分析与回顾。尽管在这个领域的研究已经取得了很大的进展，但仍然存在大量的技术难题需要解决。
　　2.提出了一种基于双模谐振的平面宽波束天线。这款天线通过电偶极子把能量馈入两个谐振腔而产生两个谐振点，每个谐振腔仅有一边开路而在孔径上产生等效磁流，因此天线在 E面具有近似全向的辐射特性。测试结果表明，E面的半功率波束宽度与传统微带天线相比有很大地扩展，产生的两个工作模式也增加了带宽。采用这款宽波束单元组成了间距为半波长的8单元相控阵，并研究其宽角扫描特性。天线阵列保持了单元良好的阻抗匹配和宽波束特性，单元之间耦合较小。结果表明，主波束可以从-60度扫描到+60度而保持增益的变化在3dB以内，扫描的3dB波束宽度覆盖-76度到+78度。最后运用混合的入侵杂草和粒子群算法对口径电流分布进行了优化，副瓣电平得到明显地降低。
　　3.基于基片集成波导腔体的结构提出了一种工作在5.7GHz的平面微带天线。这款天线基于磁偶极子的工作模式展宽波束，测试结果表明 E面的半功率波束宽度为145度，H面的半功率波束宽度为110度，具有应用在大角度扫描阵列的潜力；提出了一款利用倒 F天线旋转组阵构成的轴比宽波束圆极化天线，并对其阵列的扫描特性进行了研究。
　　4.提出了一种结构新颖的喇叭圆极化天线。这款天线利用金属片切割圆波导的TE11主模产生幅度相等，相位差为90度的正交电场来实现圆极化，然后通过旋转组阵的方法提高阵列天线的圆极化性能，同时还研究了等幅和幅度加权两种情况下阵列的宽角扫描特性。
　　5.对双极化和圆极化天线的带宽拓展进行了一系列有益地探索。双极化介质谐振器天线利用一个谐振器中的TE111模和 TE113模实现双频带，并采用了平衡馈电的结构抵消掉交叉极化分量，将极化隔离度提高到-60dB；利用蝶形天线的宽带特性设计了一款工作在1.5-2.18GHz的圆极化天线，方向图保持了良好的对称性；根据分形结构加载在圆环槽产生多个电流路径的机理，设计出一款结构紧凑的双频带圆极化微带天线，详细分析了分形图案和馈电结构的不同对天线性能的影响。
　　6.总结与展望。对本文所做的工作进行了回顾和总结，并指出本文的不足和下一步需要做的工作。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 宽波束单元及其相控阵列技术研究

2.1 引言

2.2 E面宽波束天线的设计

2.3 单元天线的测试结果

2.4 阵列设计及其测试结果

2.5 入侵杂草和粒子群混合算法对阵列幅度的优化

2.6 小结

第三章 平面结构的宽波束天线及其阵列

3.1 引言

3.2 基于腔体结构的线极化宽波束天线

3.3 圆极化轴比宽波束天线

3.4 基于倒F结构的圆极化轴比宽波束天线

3.5圆极化轴比宽波束天线的阵列研究

3.6 小结

第四章 圆极化轴比宽波束喇叭天线及其阵列

4.1 引言

4.2 单元天线的设计

4.3 顺序旋转单元馈电的组阵技术

4.4 阵列的扫描特性

4.5 实验验证

4.6 小结

第五章 多极化天线的设计和研究

5.1 引言

5.2 电介质谐振天线的理论与双极化天线设计

5.3 宽带圆极化天线的设计

5.4 双频带分形圆极化天线的设计

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文的主要的贡献

6.2 本文的不足和需要改进的地方

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果