超宽带天线及其阵列技术研究

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随着科技的不断进步,宽带高分辨率雷达,高通量移动和卫星通信,全球导航卫星系统,无线电力传输,电子战等军事民用系统迅速发展。天线是这些系统的重要组成部分,作为电磁信号的发射结构,其指标的好坏直接影响通信系统的整体性能。由于通信系统的功能越来越复杂,对天线可应用的频带宽度提出了更高的要求,所以超宽带天线及其阵列的研究越来越受到人们的重视。超宽带天线阵列相比于超宽带天线单元具有波束指向性强,增益更高等优势。本文对超宽带紧耦合阵列(Tightly Coupled Array,TCA)技术进行了研究。本文对TCA技术进行了深入的分析,介绍了其等效电路模型,分析了天线阵列中两个相邻单元的耦合效应及接地板位置的选择对拓展天线阵带宽的影响;并研究了巴伦馈电结构,分析了其馈电的平衡性和阻抗变换特性。根据理论分析,设计了一款使用威尔金森结合巴伦供电的TCA天线单元,辐射结构上层加载介质匹配层。此天线单元在周期边界条件下仿真结果显示,在3.1-16GHz的频带内的驻波系数小于2,在E面±45°的扫描范围内基本满足使用要求。然后将介质匹配层进行了更换,设计了一种双层频率选择表面(FSS),此种结构的高频特性有所改善,但将其构成双极化单元的性能低于加载介质匹配层的单元结构。对加载介质匹配层天线单元构成的双极化TCA进行仿真,其驻波系数在3.6-18GHz频带内小于3。接着,在介质匹配层中加入引向结构,通过对几种引向结构的仿真分析,设计了一种多条矩形的引向结构,它增强了天线阵列的波束方向性并提高了增益,且改善了高频匹配性能。将带有引向结构的TCA单元拓展成为4×4的双极化紧耦合阵列,并对其进行加工、装配和测试。测试结果显示,在2-12GHz频带内S11<-6d B(驻波比小于3);在6GHz频点处增益的最高点稍微偏离主方向,其他频点的方向图轴向对称性都较好,各频点交叉极化抑制度大于10dB。
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