新型漏波天线的理论分析与设计

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漏波天线是一种行波天线,基于行波波导结构构成的漏波天线在实际工程中有广泛的应用背景。本文以漏波天线的辐射机理为理论指导,利用介质基片集成波导(SIW)、介质镜像线(DIL)、以及人工表面等离激元传输线(SSPPs-TL)三种波导结构的不同色散特性,结合均匀漏波天线和周期漏波天线独特的设计方法,提出并设计了基于三种行波波导结构的多款漏波天线。本文主要的工作和创新点如下:1.以SIW为基础波导结构,通过对周期横缝加载SIW结构的带通特性和辐射特性的分析,设计了一款双频段漏波天线。同时,利用弯折SIW提高等效介电常数的方法,设计了一款宽角扫描漏波天线。(1)设计的基于SIW的双频段漏波天线由两个背靠背工作在不同频段的准均匀漏波天线构成。周期横缝加载SIW与带状线一起构成了具有双功特性的馈电网络,给上下两层漏波天线提供激励。激励信号经由带状线,在低频段穿过上层天线,在高频段穿过下层天线,最终实现了双频波束扫描。(2)通过将SIW以蛇形线的形式进行弯折,提高弯折SIW的等效相对介电常数,设计了基于SIW的宽角度频扫漏波天线。通过增大弯折长度延长导波路径,提高漏波天线的频扫比(即:每百分之一带宽对应的扫描角度范围),在较窄的频段上实现较宽的扫描范围。2.DIL的主模为慢波,传输的是表面波,不具有辐射特性。通过在DIL上引入周期性不连续单元,利用在快波区域中的n=-1阶空间谐波,设计出了两款基于DIL的周期漏波天线。这两款天线均可实现从后向到前向的连续频扫。一款天线的周期单元是在DIL的金属地板上开“H型”凹槽,波束扫描范围有103°,频带内增益仅有1.3 d B的波动;另一款天线的周期单元是在DIL的介质上表面放置“H型”金属贴片,由于“H型”金属贴片具有较高的损耗常数,所以该天线仅需三个辐射单元就可实现高效率辐射,波束扫描范围71°,频带内增益波动1.9 d B。3.利用快波辐射和慢波辐射机理,分别设计了三款基于SSPPs-TL的LWA。一款天线基于快波辐射机理,具有频扫特性;另两款天线基于慢波辐射机理,波束指向固定。(1)设计了基于微带SSPPs-TL的周期漏波天线,该天线以快波辐射机理为理论基础,利用在快波辐射区域的n=-1阶空间谐波天线可辐射宽角扫描波束。该天线基于的波导结构是微带SSPPs-TL,是一种有金属地板的双导体SSPPs波导结构。所以,不同于基于单导体SSPPs波导的漏波天线,该天线馈电结构简单且可实现单波束扫描。(2)设计了平行SSPPs-TL,由两个平行的单导体SSPPs波导构成,通过微带线激励馈电。与单导体SSPPs-TL的传输特性和色散特性相似,平行SSPPs-TL是慢波波导结构,传输损耗低,同时也可以通过波纹的高度控制色散特性。(3)以平行SSPPs-TL为基础波导结构,在上下传输线上周期性地引入开路金属枝节,在n=-1阶空间谐波的慢波辐射区实现后向端射。同时对辐射枝节进行锥削,不仅较好地提高了天线阻抗匹配,而且改善了天线的辐射方向图的形状,使其在不同频点上形状几乎保持不变。此外,在端射天线下面加载金属反射板,原本端射波束在俯仰面上上倾一定角度,且随着金属反射板与天线之间距离的改变,波束上倾的角度随之发生变化。
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