【摘 要】
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高增益天线在远距离通信、雷达系统、空间探索等领域中应用广泛。平面透镜天线由于具有成本低、质量小、易加工等优点,正成为一种极具吸引力的高增益天线技术方案,并引起了学术界和工业界越来越多的关注。本论文主要研究内容包括:宽带单馈平面透镜天线、基于阵列馈电的低剖面宽带平面透镜天线、相控波束扫描平面透镜天线、相控涡旋波束平面透镜天线、滤波低散射复合平面透镜天线等。本文的主要工作和创新点如下:1.提出了一款基
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高增益天线在远距离通信、雷达系统、空间探索等领域中应用广泛。平面透镜天线由于具有成本低、质量小、易加工等优点,正成为一种极具吸引力的高增益天线技术方案,并引起了学术界和工业界越来越多的关注。本论文主要研究内容包括:宽带单馈平面透镜天线、基于阵列馈电的低剖面宽带平面透镜天线、相控波束扫描平面透镜天线、相控涡旋波束平面透镜天线、滤波低散射复合平面透镜天线等。本文的主要工作和创新点如下:1.提出了一款基于单喇叭馈电的多层频率选择表面型宽带平面透镜天线。透镜单元为双谐振双六边环结构,呈三角形栅格排布。结果显示该透镜可实现53.34%的最大口径效率以及19.23%的1 d B增益带宽。2.提出了一款基于单喇叭馈电的极化旋转型宽带平面透镜天线。透镜单元共三层金属贴片,中间层为矩形条带两端加载弧形条带,上下层为极化栅格。在对基于单喇叭馈电的平面透镜天线进行数值建模后,提出了一种基于1 d B增益带宽定义的宽带平面透镜优化方法。结果显示该透镜的0.5 d B、1.5 d B以及3 d B增益带宽分别为41.3%、56%及71%,且透镜最大口径效率为40.7%。3.提出了一款具有低剖面、宽带特性的基于阵列馈电的平面透镜天线。该设计使用共轭场匹配法实现空间相位的理想补偿,阵列馈源为小规模偶极子阵列,其口径面积与喇叭馈源相当,相较单喇叭馈电可实现64.5%的剖面缩减。4.提出了一款低剖面、超宽带的基于Vivaldi阵列馈电的平面透镜天线。在对基于阵列馈电的平面透镜天线进行数值建模且构建适应度函数后,提出了一种包含三个步骤的优化方法来确定透镜单元排布以及阵列馈源激励系数。结果显示该透镜在5～19 GHz（3.8:1）频段内均可形成具有良好主波束形状以及合理副瓣电平的稳定辐射方向图。5.提出了基于相控阵馈电的波束扫描平面透镜天线。在详细分析相控平面透镜的工作机制后,提出了基于“有源单元-透镜方向图”的波束形成算法来确定相控阵馈源激励系数。三款实验样机分别设计于微波、毫米波及太赫兹频段。6.提出了一款基于相控阵馈电的柱面散焦介质龙伯透镜天线。19单元偶极子相控阵馈源分为三个子阵,激励系数由“有源单元-透镜方向图”方法确定。结果显示该相控散焦透镜可在±81°超宽角范围内实现高精度扫描,最大增益21.1 d Bi,扫描至75°及81°时增益下降分别为3 d B及7.5 d B。相较传统基于波束切换机制的柱面介质透镜,相控散焦龙伯透镜可实现5.4～3.3 d B扫描增益提升以及11.9～6.6d B有效全向辐射功率提升。7.提出了一款可产生携带轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）涡旋波束的基于小型环形相控阵馈电的平面透镜天线。该透镜可实现零模OAM波束±25°扫描;此外,可产生多种具有螺旋状等相位面的单模或混模涡旋波束,通过OAM多路复用便可提升信道容量及频谱效率。为方便实验验证,设计了一套带宽超过30%的8×8巴特勒矩阵,基于巴特勒矩阵级联环形微带阵列馈电的平面透镜天线也为同时产生多种OAM模式,提供了一种具有竞争力的低成本无源解决方案。8.提出了一款兼具滤波特性、X波段带内高增益辐射特性、带外低散射特性的复合平面透镜天线。该透镜单元由双极化阻抗表面层、固定尺寸带阻多层频率选择表面单元、可调尺寸带通多层频率选择表面单元三部分构成。结果显示该透镜可实现大于25 d B的带外抑制度,在4～7 GHz及14～20 GHz频段内可实现约8 d B的雷达散射截面积（Radar Cross Section,RCS）减缩,带内辐射增益为25.3 d Bi。9.提出了一款由带通多层频率选择表面和方形介质柱两端加载方棱锥阻抗匹配层构成的复合平面透镜天线。该复合平面透镜单元可实现对带内透射波及带外反射波的同时控制。基于相位对消原则,高度不同的方形介质柱两端加载方棱锥阻抗匹配层结构可实现RCS减缩。结果显示在斜入射角最大至60°时,该透镜能够在0.5～1.5 fc频段内实现大约5 d B镜像RCS缩减,在1.5～5 fc频段内实现大约10d B镜像RCS缩减。此外,该透镜还可实现大于20 d B的带外辐射抑制水平。
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