论文部分内容阅读
随着便携式无线通信设备需求的不断增加,作为收发电磁信号的天线,需要其同时具备宽带、小型化和波束扫描的特性。Vivaldi天线是一种结构简单的超宽带行波端射天线,广泛应用于室内定位、医疗成像和相控阵雷达等无线通信系统,但是其尺寸大、阵列的波束扫描范围小。本论文就Vivaldi天线的小型化和宽角度波束扫描性能进行了研究和设计,主要包含以下三项创新性的工作。第一,提出了一种小型化高增益的枫叶形对跖Vivaldi天线（Antipodal Vivaldi Antenna,AVA）。通过引入一对枫叶边缘形状的辐射臂,降低天线表面电流在辐射缝隙处分布的不连续性,进而在不增加天线尺寸的前提下提高天线的增益。在辐射缝隙的内侧加载两列对称的金属化过孔,调整电磁波的相位分布,进而在不降低天线增益的情况下展宽天线的波束宽度。实测结果表明,枫叶形对跖Vivaldi天线|S11|<-10 d B的阻抗带宽为5.2-40GHz,最高增益为13.9 d Bi,而天线尺寸仅为0.52λ0L×0.54λ0L×0.002λ0L(λ0L指天线最低工作频率对应的空气波长)。第二,基于镜像原理,提出了一种小型化的半模（Half Mode,HM）Vivaldi天线和阵列。HM-Vivaldi天线由一个改进的辐射臂和等效为电壁的两列金属化过孔组成,电壁上的感应电流代替辐射臂在其对称位置处的镜像电流,使天线的尺寸几乎缩减为原始的一半。在辐射缝隙处引入环形超材料,延迟电磁波的相位以纠正天线的波束指向。实测结果表明,HM-Vivaldi天线|S11|<-10 d B的阻抗带宽为5.3-40 GHz,最高增益为11 d Bi,而天线尺寸仅为0.35λ0L×0.54λ0L×0.009λ0L。将天线单元按照镜像排布组成四元天线阵列,使天线沿介质基板的纵向电场分量相互抵消,降低天线的交叉极化电平并纠正方向图的不对称性。仿真结果表明,该HM-Vivaldi天线阵列在4-15 GHz工作频带内的交叉极化均低于-55 d B,E面和H面方向图的主波束均左右对称。第三,提出了两种小型化宽角度的Vivaldi波束扫描天线阵列。第一种是基于HM-Vivaldi的频率波束扫描天线阵列,阵列单元沿微带传输线串联馈电,由不同工作频率的不同相位差实现波束扫描性能。在传输线的一侧加载人工表面等离激元（Spoof Surface Plasmon Polariton,SSPP）结构,扩大阵列的波束扫描范围,仿真结果表明,该阵列|S11|<-10 d B的阻抗带宽为6-15 GHz,波束扫描范围为-40°～87°,最高增益为14.1 d Bi。第二种是基于紧耦合理论的毫米波Vivaldi波束扫描天线阵列,通过控制辐射单元激励端口的相位实现波束扫描,并利用相邻辐射单元间的紧耦合作用来延长阵列的表面电流路径,从而进一步拓展阵列的阻抗带宽和波束扫描范围。仿真结果表明,该阵列|S11|<-10 d B的阻抗带宽为22.4-30 GHz,最高增益为11.9d Bi,且在工作频带内的各频点均可以实现150°的E面宽角度波束扫描,而其阵元间距仅为0.28λ0L。