基于电磁互补结构的周期漏波天线机理分析与设计研究

论文摘要

漏波天线是一类行波天线,由连续或周期地加载辐射元的传输线构成。漏波天线结构紧凑、定向性高,且具有独特的波束频扫特性,因而在雷达等无线系统中有广泛应用。随着人们对无线系统的需求日渐增大,如何提高漏波天线性能、丰富其功能成为了天线领域的一个重要研究方向。现有漏波天线受限于辐射元的电磁性能,在波束扫描范围、阻带、增益、副瓣电平以及方向图等特性上存在着诸多固有缺陷。因此,本文以漏波天线辐射元的分析与构造为切入点展开研究,提出以“利用电磁功能互补的结构”为指导思想设计周期漏波天线,致力于解决现有漏波天线的固有缺陷,以期拓展漏波天线的应用领域,提高所在系统的整体性能。本文的研究主要包括如下四部分:首先,为了直观地反映周期漏波天线的波束扫描特性以及阻带的产生机理与出现位置,本文给出了传统周期漏波天线的等效电路模型分析,为本文后续的研究奠定基础;并由等效电路模型分析给出了周期漏波天线中反射相消结构的工作机理,使得该类天线的设计效率大幅提高。接下来,本文指出了周期漏波天线与有耗传输线的等效关系,并由此提出了可用于提高漏波天线设计效率的“黑箱法”,使得设计者无需求解天线结构中具体部件的精确电磁功能,仅需依靠对单元外部阻抗参数的评定即可确定具有复杂结构周期漏波天线尺寸参数优化方向,为本文后续的研究工作提供了有力的天线尺寸参数获取方法。其次,为了抑制周期漏波天线中常见的开阻带效应,实现波束由后向到前向的连续扫描,本文提出了一种基于互补电抗加载的漏波天线设计方法。在该方法中,互补电抗的加载使得天线阻抗容易与馈电传输线匹配,从而使开阻带得以抑制,由此,辐射波束也可实现半空间内的连续扫描。该类漏波天线除具有简单的结构外,还有灵活的极化方式,既可实现线极化辐射,也可实现圆极化辐射。而为解决现有圆极化漏波天线圆极化波束扫描范围难以拓展的问题,本文利用互补电抗加载所实现的正交极化辐射分量的独立性给出了拓宽圆极化波束扫描范围的方法,即:使圆极化波束中两个正交极化辐射分量的方向图具有一致的频率响应。依此方法得到的漏波天线圆极化波束扫描范围大于绝大多数同类天线。第三,本文指出了现有漏波天线广泛存在增益随频率变化不稳定问题的本质原因,并为解决该问题提出了一种漏波天线设计方法。在该方法中,漏波天线的辐射元在具有互补电抗的基础上还具有关于频率的互补辐射特性。由此设计的漏波天线在整个工作频带内除了能够实现波束的半空间连续扫描,还具有恒定的辐射效率与增益。此外,得益于其独特的结构拓扑,此种漏波天线的口径分布优化相较于传统漏波天线更加直接便捷,我们由此设计了具有常用口径场分布的多个漏波天线实例,实现了副瓣电平的精确控制。最后,前面的在前面研究内容所铺垫的基础之上,本文指出,漏波天线功能的进一步提升有赖于更多设计自由度的引入。使辐射元同时具有互补的谐振结构会得到相较于传统辐射元而言更加灵活多变的特性,也会为漏波天线带来更多的设计可能。为了探求这一未知领域,本文以磁电偶极子作为互补谐振结构辐射元的实现载体设计了两种漏波天线。其一是利用互补谐振所带来的宽带特性以及磁电偶极子的辐射特性实现了漏波天线工作频带内稳定的高辐射效率、高前后比以及高增益辐射;其二是利用互补谐振结构在阻抗与相位随频率变化方面更多的设计自由度实现了漏波天线中反常的宽带固定波束。而宽带固定波束在漏波天线中的实现也意味着漏波天线在新一代无线宽带通信系统中具有了应用的可能。本文的研究内容以解决实际问题为出发点,在等效电路模型分析的指导下,给出了针对不同目标的周期漏波天线的设计方法,并采用理论计算与全波仿真相结合的方式设计出了相应的具有不同特性的漏波天线,并最终通过实验来做出验证。其中很多分析与设计方法,不囿于具体的传输线与辐射元类型,具有很好的普适性。本文逐步揭示并解决了漏波天线的诸多缺陷,也揭开了新一代漏波天线的研究序幕,使无线系统强化与升级的后盾更加坚实有力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 漏波天线的基本概念
•   1.3 国内外研究进展及现状
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 周期漏波天线的等效模型分析
•   2.1 引言
•   2.2 基于等效电路模型分析的周期漏波天线特性研究
•   2.3 反射相消结构的等效电路模型分析
•   2.4 周期漏波天线的等效有耗传输线模型分析
•     2.4.1 周期漏波天线的有耗传输线等效条件
•     2.4.2 反射相消结构周期漏波天线的等效有耗传输线模型验证
•     2.4.3 应用有耗传输线等效性设计圆极化周期漏波天线
•   2.5 本章小结
• 第3章 基于互补电抗加载的周期漏波天线
•   3.1 引言
•   3.2 抑制OSB的互补电抗加载方法与线极化漏波天线的实现
•     3.2.1 OSB抑制方法
•     3.2.2 线极化天线的设计
•     3.2.3 天线极化纯度增强
•     3.2.4 实验验证
•   3.3 基于互补电抗加载的圆极化周期漏波天线
•     3.3.1 天线结构设计
•     3.3.2 圆极化波束扫描范围拓展
•     3.3.3 实验验证
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于互补辐射元的周期漏波天线
•   4.1 引言
•   4.2 基于交错级联互补辐射元的恒定增益周期漏波天线
•     4.2.1 仅加载容性辐射元或感性辐射元的周期漏波天线分析
•     4.2.2 交错加载互补辐射元的周期漏波天线设计
•     4.2.3 关于互补辐射元的讨论
•   4.3 基于互补辐射元对的周期性漏波天线
•     4.3.1 天线结构设计与分析
•     4.3.2 天线泄漏衰减常数控制
•     4.3.3 基于互补辐射对的漏波天线的口径合成与副瓣电平抑制
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于互补谐振结构的周期漏波天线
•   5.1 引言
•   5.2 互补谐振电路特性分析
•   5.3 高前后比与高增益漏波天线
•     5.3.1 仅具有磁偶极子的漏波天线分析
•     5.3.2 基于磁电偶极子的高增益高前后比漏波天线设计
•     5.3.3 实验验证
•   5.4 宽带固定波束漏波天线
•     5.4.1 宽带固定波束漏波天线工作条件
•     5.4.2 宽带固定波束漏波天线的辐射元设计
•     5.4.3 宽带固定波束漏波天线数值仿真结果
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吕玥珑

导师: 孟繁义

关键词: 漏波天线,互补结构,开阻带,波束扫描,天线增益

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN820;O441

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000278

总页数: 162

文件大小: 12693K

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