基于基片集成波导结构的高方向性天线的研究与设计

摘要

随着通信技术的高速发展，人们对通信质量要求的提升，促使在许多情况下天线需要更高的方向性，以避免电磁环境噪声的干扰。喇叭天线可以通过内部结构来调整电场相位，使其在口径处均匀分布以产生高方向性的波束。然而，喇叭口径尺寸超过某一合理的范围，球面波在喇叭内传播，将使得口径处电场相位无法相等，导致增益下降，这就限制了喇叭本身的尺寸大小。为进一步增强方向性，人们采用了多种方式来加大口径尺寸，但设计过程往往较为复杂。本文针对此类应用需要，结合基片集成波导技术，设计出具有大辐射口径的高方向性天线。本文重点研究基于基片集成波导技术对传统反射面天线平面化设计的方法，并分析各参数对天线性能的影响。设计出适合该结构的馈电系统及匹配结构，最终实现高方向性，低副瓣，宽频带等重要性质。
　　本文的主要工作和研究成果如下:
　　(1)提出了一种基于基片集成波导结构的平面式卡塞格伦天线，可在其远场产生H面窄波束与E面宽波束，可实现H面良好方向性的同时兼具E面稳定性。通过金属柱赋形技术，实现空间结构向平面结构的转化。在空间结构的平面化设计中，分析并判断平面式结构中各项参数如何影响整体辐射性能。重点分析讨论了副反射面及馈源喇叭的结构参数，选取适当的参数值使天线结构内部的电场分布及辐射口径处的相位分布得到优化。此外，讨论了选取主反射面结构参数时应考虑的因素。相比较于单反射面天线，该天线方向图中副瓣电平有所升高，本文从副反射面离心率的角度对此进行了讨论分析。
　　(2)提出了一种馈电喇叭与副反射面均偏置于主反射面轴线之外的平面式偏馈卡塞格伦天线，可以有效避免副反射面对电场的遮挡效应。在双反射面结构的设计中，通过对结构参数的选取和优化，使天线的辐射口径处实现较好的场强分布和等相位分布，从而实现H面高方向性波束。重点讨论了馈源喇叭、副反射面参数对天线辐射性能的影响。在馈源喇叭的设计中引入金属壁结构，使其波束实现了更好的汇聚效果，从而提高了方向性，降低了副瓣电平。
　　(3)提出了适用于基片集成波导喇叭结构的馈电方法，以及适用于卡塞格伦天线口径与自由空间匹配的传输匹配结构，并满足卡塞格伦天线的宽带要求。在馈电结构的设计过程中，采用耦合贴片结构，实现宽频带特性。在传输匹配结构的设计过程中，基于相对介电常数渐变原理，实现天线辐射口径与自由空间波阻抗的较好匹配，在实现宽带的同时，具有较好的辐射前后比。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 喇叭天线的发展历史及研究现状

1．2．1 喇叭天线的发展历史

1．2．2 喇叭天线的发展现状

1．2．3 喇叭天线的应用方向

1．3 本文的主要研究内容及工作安排

2．1．1 基本结构

2．1．2 辐射特性及其应用

2．1．3 抛物面天线的应用

2．2 双反射面天线

2．2．1 结构设计原理

2．2．2 抛物反射面天线性能的对比

2．3 基片集成波导中的场和传播特性

2．3．1 传统偏馈双反射面天线的设计

2．3．2 偏馈卡塞格伦天线的原理

2．3．3 偏馈卡塞格伦天线的设计标准

2．4 基片集成波导中的场和传播特性

2．5 基片集成波导结构中的馈电方法

2．6 本章小结

3 基于基片集成波导的双反射面天线

3．1 基于基片集成波导的双反射面天线

3．1．1 主副反射面焦距对辐射特性的影响

3．1．2 副反射面的形状对辐射特性的影响

3．1．3 馈源喇叭结构的设计

3．2 传输匹配及馈电结构的选取与设计

3．2．1 传输匹配结构的选取及优化

3．2．2 金属波导馈源结构的设计

3．2．3 仿真结果及优化

3．3 本章小结

4 平面式偏馈双反射面天线的设计

4．1 平面式偏馈卡塞格伦天线的设计

4．1．1 重要结构参量的指标及设定

4．1．2 宽带馈电结构的设计

4．1．3 仿真结果与分析

4．2 平面式偏馈卡塞格伦天线的修正

4．2．1 副反射面边缘电场溢漏的修正

4．2．2 宽带传输匹配结构的设计

4．3 仿真结果与分析

4．4 本章小结

5 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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