【摘 要】
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二维宽带宽角扫描相控阵天线在多功能射频系统、电子战、射电望远镜、高数据率通信系统、高分辨雷达和成像系统等方面有着广泛的应用。尽管有着如此巨大的需求,二维宽带宽角扫描相控阵天线的设计依然面临着许多困难和挑战。近些年来,紧耦合偶极子阵成了研究的热点,其宽带宽角扫描、低剖面、低交叉极化等优点吸引了众多科研人员的目光并进行了深入的研究。目前关于紧耦合偶极子阵已取得了一些研究成果,但天线阵性能的进一步提升仍
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二维宽带宽角扫描相控阵天线在多功能射频系统、电子战、射电望远镜、高数据率通信系统、高分辨雷达和成像系统等方面有着广泛的应用。尽管有着如此巨大的需求,二维宽带宽角扫描相控阵天线的设计依然面临着许多困难和挑战。近些年来,紧耦合偶极子阵成了研究的热点,其宽带宽角扫描、低剖面、低交叉极化等优点吸引了众多科研人员的目光并进行了深入的研究。目前关于紧耦合偶极子阵已取得了一些研究成果,但天线阵性能的进一步提升仍存在一些关键问题待解决。本论文从紧耦合偶极子阵的基本原理出发,以影响天线阵工作性能的馈电网络和匹配层为主要研究对象,采取了多种方法和措施提升天线阵的性能。论文的主要研究内容和成果概括如下:1.基于过采样的紧耦合偶极子阵在有限口径下辐射功率提升的研究电磁波的辐射功率对其传输距离起决定性的作用。传统上,可以通过增大辐射口径或增加单元输入功率以提升电磁波的辐射功率。而辐射口径受装配空间限制而无法持续增大,单元输入功率也因信号源功率提升困难而难以实现。通过在有限口径下布置更多单元进行功率合成、改善天线单元的阻抗匹配和减小损耗以增加天线阵的总效率均可提升有限口径的辐射功率。基于此,本文提出了一个可用于提升有限口径辐射功率的紧耦合偶极子阵,一方面采用高介电常数的介质基板使阵列小型化,同时使用紧凑型巴伦进行馈电,从而天线单元具有很小的尺寸,最终天线单元周期为0.146λh×0.146λh（λh为自由空间中最高工作频率对应的波长）;另一方面通过改善巴伦和天线阵的阻抗匹配,使用频率选择表面匹配层改善天线阵和自由空间的阻抗匹配,以及使用低损耗的介质基板,从而提升天线阵的总效率。仿真和测试结果表明,在1.73-5.46 GHz的频带内天线阵具有宽角扫描性能并且保持很高的总效率。和文献中的设计对比,该天线阵能够提高有限口径的辐射功率。2.基于集成馈电网络和FSS匹配层的超宽角扫描紧耦合偶极子阵的研究如何进一步提升扫描范围是紧耦合偶极子阵设计中的一大难点。实现更宽扫描范围的难点在于宽角扫描时天线单元的阻抗匹配。基于此,本文提出了一个具有宽带超宽角扫描性能的紧耦合偶极子阵。通过协同设计天线单元和馈电网络,改善天线阵在E面宽角扫描时阻抗匹配。对FSS匹配层的工作机理进行了研究,在H面宽角扫描时,FSS匹配层的电容分量可以抵消天线阵上表面的电感分量,从而改善天线阵在H面宽角扫描时的阻抗匹配。最终天线阵实现了2.4:1（2.1-5 GHz）的工作带宽,满足有源电压驻波比＜3的条件,具有E面80°、H面70°和D面75°的扫描性能。由于采用了低介电常数的介质基板以及强耦合的微带-共面带线的巴伦,天线阵具有很低的交叉极化。实际加工了一个16×16的天线阵,仿真和测试结果具有良好的一致性。和文献中的设计对比,该天线阵具有更宽的扫描范围和更好的品质因子。3.基于Vivaldi天线结构的低交叉极化紧耦合偶极子阵的研究将Vivaldi天线中常用的带线-缝隙的宽带巴伦和指数渐变结构引入紧耦合偶极子阵的设计中,解决了紧耦合偶极子阵宽带馈电网络和阻抗匹配设计的难题。采用双面馈电结构和将偶极子两臂印制在介质基板同一平面的方案以减小垂直于天线所在平面的电场分量,通过这种方式,天线阵的交叉极化得到有效抑制。天线阵上方放置的两层介质块匹配层用于提升H面的扫描性能。仿真结果显示,设计的天线阵在4.1:1（1.35-5.54 GHz）的带宽内,满足有源电压驻波比＜3的条件,具有E面80°、H面45°和D面65°的扫描性能。天线阵的剖面高度为0.14λl（λl为自由空间中最低工作频率对应的波长）。天线阵边射时的交叉极化比＜-72 d B;E面80°扫描时的交叉极化比＜-62 d B;H面45°扫描时的交叉极化比＜-28 d B;D面65°扫描时的交叉极化比＜-9.5 d B。实际加工了一个16×16的天线阵并进行了仿真和测试,仿真和测试结果具有良好的一致性。和文献中设计相比,该设计具有较低的剖面高度和更低的交叉极化。
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