端射圆极化天线的研究

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天线作为重要的收发器件,广泛用于无线系统中,其性能的好坏对整个通信系统具有重要影响。端射天线具有增益高、易共形、尺寸小等优点,常用于雷达、远距离通信等无线系统中。圆极化天线的电磁波可分解成极化正交的两个线极化波,可以接收任意线极化波,常用于电子对抗等系统中。常见的端射天线大都是线极化天线,结合圆极化的基本原理,本文引入了新的结构提供正交方向的线极化,开展了对端射圆极化天线的研究。该类天线的应用领域更广,适用场合比较多变。本文共设计了三种平面端射圆极化天线,探讨了端射天线实现圆极化辐射的思路和方法。主要内容和研究成果如下:首先,结合八木端射天线和微带贴片天线,设计了一种新型的多贴片引向的微带八木圆极化天线。天线使用单馈点加微扰的方法,取得了激励贴片的圆极化辐射,利用贴片之间的互耦将能量引向端射方向,达到八木天线的辐射圆极化。天线的中心频率为5.8GHz,回波损耗大于10dB的相对带宽大约有300MHz,AR小于3dB的带宽为100MHz,增益最高可达2.5dB,具有较好的圆极化特性。其次,利用基片集成波导(SIW)和H面喇叭,本文设计了一款工作于Ku波段中心频率为15GHz的平面端射圆极化天线。圆极化辐射单元由H面喇叭与八木振子组合而成,其中H面喇叭提供垂直线极化,八木振子提供水平线极化,喇叭口面到八木振子的过渡段长度实现90°相位延迟。此天线具有16%的阻抗带宽,AR小于3dB的频带为14.4-15.2GHz,增益达5.5dBi,实现了端射方向圆极化辐射。最后,为实现天线高增益辐射,设计并加工了一款工作在Ka波段中心频率为35GHz的高增益平面端射圆极化天线。同样是基于SIW H面喇叭产生垂直极化波,不同的是引入了偶极子阵产生水平极化波,偶极子阵与喇叭的上下金属表面相连,上下金属面作为偶极子阵的反射面使其产生定向辐射。整个天线采用渐变波导馈电,测试结果显示,阻抗带宽达到22.9%,轴比带宽为14.3%,增益最大测试值为10.7dB,测试结果和仿真结果吻合。该天线属于左旋圆极化(LHCP)天线,并且端射波束方向与天线结构平面共面。文中设计的天线,尤其是最后两款天线,阐述了本文设计端射圆极化天线的思想,即在端射振子的基础上引入新的结构提供正交方向的线极化,取得了端射波束的辐射方向圆极化。测试和仿真结果都证明了该思路的正确性。
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