超短波宽带与多频集成天线技术研究

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VHF/UHF频段,因为其视距传输和衰减小的特点,是通信天线工作的最常用的频段,涵盖了军用、民用的各个领域。然而,由于工作于该频段的天线形式通常是偶极子、单极子天线及其变形的天线,这类天线的带宽通常较窄,因此,如何展宽这类天线的带宽是非常值得研究的课题;同时由于这类天线的体积通常和其工作频段的波长相比拟,因此如何实现这类天线的小型化也是非常重要的研究课题。本文针对VHF/UHF频段的宽带与多频集成天线技术,做了四部分的研究。(1)采用分布式加载技术,提出了一种VHF/UHF频段的宽带开放式套筒单极子天线结构,实现了220-950MHz的带宽,同时在频带内增益大于-2.5d Bi。设计了VHF/UHF频段的两款宽带单极子天线,分别实现199-508MHz和203-537MHz的带宽。设计了一款双频套筒单极子天线,实现了225-416和745-970MHz的双频带宽。设计了一款宽带封闭式套筒单极子天线,实现了210-960MHz,同时由于本身结构的对称性,使得天线水平方向图的不圆度较开放式套筒单极子天线有较大的提升。(2)基于特征模式分析方法,提出了一种U型槽地板宽带单极子天线结构,通过曲折线的加载使高次模式在中频和高频被有效激励,获得了宽频特性,实现了200-550MHz的带宽,另外通过在地板上开U型缝隙,使得模式3在高频处的反相电流被抵消,改善了高频方向图,尤其在500MHz频点处,水平方向上的增益提高了至少1d B。设计了一款双频U型槽单极子天线,通过集总电路匹配并在单极子上刻蚀U型槽,天线获得了200-530和880-940MHz的双频带宽,在200-530MHz频带内,增益大于-0.5d Bi,在880-940MHz频带内,增益大于-3.3d Bi,尤其是在900MHz处,相比于未加U型槽的天线,增益从-8d Bi提升到1.4d Bi。(3)提出了一种扼流结构的设计方法,设计了一种铁氧体电磁带隙混合扼流结构,针对馈线的外表皮上自由流动的电流对天线性能的影响,结合电磁带隙结构的高效率特点和铁氧体磁环的宽带扼流性能,实现了在160-350MHz频带内大于10d B的扼流效果。通过将该扼流结构应用于单极子天线,天线的方向图在该频带内得到了稳定,不再受馈线长短的影响。(4)采用辐射体复用技术,设计了一款工作在VHF/UHF频段的多频集成鞭状天线,覆盖了30-88、225-400和566-1224MHz三个频段。在566-1224MHz单体天线设计中,通过短路加载、天线加粗实现天线小型化,通过套筒加载提高天线的阻抗带宽和方向图带宽,通过组二元阵列提高天线增益。其中,通过短路加载,还为位于其之上的天线提供了馈线穿心的机会,一举两得。天线单元由100欧姆同轴线馈电,同时两条等长的100欧姆同轴线焊接在50欧姆同轴接头上实现等幅同相的一分二功分器,在工程应用中较为简便且实用。在225-400MHz天线设计中,通过宽带阻抗匹配、辐射体渐变和加粗,实现了宽带特性。对于30-88MHz天线,通过复用225-400MHz和566-1224MHz天线的辐射体,并增加金属圆形地板,构成单极子天线,实现了天线的小型化。其中,值得关注的是,通过馈线绕磁环的方法,其形成的电感不仅使225-400MHz和566-1224MHz天线的馈线不仅顺利穿过30-88MHz的“心”没有使其单极子辐射体和地板短路,而且还通过它们的馈线外皮为其提供了馈电的机会,一举两得。最后,通过设计双工器,使得225-400MHz天线的馈线和30-88MHz天线的馈线合并为一个端口。通过对以上四部分内容的研究,总结了在VHF/UHF频段的天线实现宽带化、小型化的方法,和多频集成天线的设计方法,为超短波天线的发展提供了几种设计思路。
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