基于机械控制的可重构阵列天线设计
这是一篇关于机械可重构,阵列天线,波束偏转,高度可调,双频的论文, 主要内容为随着无线通信系统的飞速发展,用户需求增加和频谱资源缩减等问题逐渐出现。传统的天线大多功能单一,无法满足当前的应用需求,而朝着多功能、大容量和小型化等方向发展的可重构天线已成为当今天线发展的热点之一。其中,机械可重构天线凭借其独特的稳定性和鲁棒性等优点一直存在于可重构天线的发展历程当中。本文基于机械可重构进行设计了两款阵列天线,均能够实现波束偏转功能。主要的研究内容可以分为两个方面:1.设计了一种高度可调的机械可重构阵列天线。本文利用带滑块的丝杆步进电机与3D打印的支撑结构设计了一种高度调节装置,其顶部加载的U型槽缝隙贴片微带天线能够通过调节高度实现360°范围内的连续相移,从而达到替代移相器及降低成本的目的。然后设计了8×8的阵列,通过仿真验证了其方法的可行性,并对阵列原型进行了加工和测试,实验结果表明加工的天线能够在XOZ平面±40°范围内实现任意角度的波束扫描,最高增益达23.3d Bi,口径效率达85.6%。此外,为了验证其应用广泛性,测试了近场聚焦的性能表现,测试结果表明该天线也能实现距离阵面150mm处平面内的焦点移动能力。2.在第一款天线的设计基础上,本文尝试将设计在原工作频段的底馈微带天线放入全波仿真模型中分析其反射特性,呈现出来的优秀反射性能为双频阵列天线的设计提供了思路。于是设计了一种集成了C波段可重构反射阵天线和X波段相控阵天线的双频波束偏转阵列天线,其中可重构反射阵天线利用高度调节来实现360°连续的反射相移,而相控阵天线则是利用数字移相器来实现360°连续相位的调节,并且该天线还拥有两套独立的馈电网络及控制系统。通过仿真以及加工测试,两个频段下均能实现XOZ平面±40°范围内实现任意角度的波束扫描,最高增益分别为14.4d Bi和21d Bi,口径效率为32.9%和50.6%。
低剖面和可编程人工电磁结构天线研究
这是一篇关于人工电磁结构,低剖面天线,电磁透镜,可编程天线,阵列天线,辐射式,波束灵活赋形,数字全息理论的论文, 主要内容为频谱资源的紧张和电磁环境的日益复杂都迫切需要通信、雷达等无线系统进行快速更新换代,天线技术的发展是影响这一进程的一大关键因素。为了使系统能更好地应对电磁环境的变化,设计者们不仅希望在传统天线设计中获得更优良的带宽和辐射增益,同时也希望设计出辐射性能可调控的新型天线,以适应动态变化的应用场景。人工电磁结构技术为电磁波调控提供了一种全新的手段,其出现给电磁器件尤其是天线带来了新的设计灵感和方法。在此背景下,本论文围绕人工电磁结构在低剖面和可编程天线中的应用,首先研究了电磁结构单元的设计理论和实现方法,然后重点探索了其应用于增强传统天线辐射性能和可编程波束扫描天线设计方面的工作机理和性能特点。论文主要研究工作如下:1、研究了人工电磁结构的设计理论和方法,提出了三种具有表面阻抗、色散特性调制能力的单元结构,设计了一种超宽带且可对双极化电磁波进行调制的结构单元。首先设计了三种基本的人工电磁结构单元,在研究三种不同形式的结构单元上表面波色散特性的基础上,分析了单元的阻抗特性,提出了人工电磁结构的等效建模和分析方法。针对现有人工电磁结构在传统低剖面天线中应用时存在的带宽窄、结构复杂、结构剖面高等问题,提出了一种工作带宽达到2GHz-20GHz(相对带宽164%)的超宽带电磁结构单元设计方法,提取了单元的等效介电常数、折射率等电磁参数,并结合表面电流分布分析验证了单元在低剖面天线应用中的可行性,为人工电磁结构在传统天线中的应用提供了支撑。2、研究了人工电磁结构在天线中的作用机理,提出了电磁结构透镜的建模分析方法,设计了两款超宽带、高增益的电磁透镜Vivaldi天线。针对传统Vivaldi天线在应用中存在低频工作带宽受限、高频段方向性降低、增益恶化等问题,分析了由人工电磁结构组成的新型电磁透镜对Vivaldi天线性能的影响。设计了具有高介电常数、高折射率等属性的电磁透镜,可对天线口径处的电磁波进行调制。将透镜集成到天线口径处,采用分析电场幅度和相位分布的方法,阐明了透镜对天线口径处的电磁波的作用机理和调制方式,并获得了最优的透镜结构。根据不同应用场景,提出了两种加载电磁透镜的Vivaldi天线设计方法,仿真和实测结果表明,设计的加载透镜的小型化Vivaldi天线低频工作带宽扩展了2GHz,两款天线辐射增益最大分别提高了3.7d B和3.2d B,方向性也得到明显改善。3、提出了一种新型的加载PIN二极管的辐射式电磁结构单元及设计方案,设计了具有对辐射相位和反射相位双重调制能力的可编程波束扫描天线。针对现有可编程人工电磁结构天线剖面高、体积大、馈电不均匀等问题,采用将馈电结构与相位调制结构一体化的方法,提出了一种工作在X波段的低剖面辐射式可重构人工电磁结构单元天线设计方案。单元天线上加载了两个PIN二极管,改变二极管的通断状态可调节天线上电流的流动方向和电场的分布区域,使得天线的远场辐射相位差具有0°和180°两种可调制状态,具有1-bit数字可调节特征。分别设计了包含1×32单元和8×16单元的不依托移相器组件的低剖面可编程波束扫描阵列天线,并结合数字全息理论对阵列天线中每个单元进行编码,实现了对天线辐射电磁波的灵活赋形调制。其中一维可编程天线实现了-60°～60°的波束扫描,二维可编程天线实现了方位面上的-60°～60°和俯仰面上的-40°～40°波束扫描。与现有主流工作相比,同指标下提出的辐射式阵列天线剖面高度压缩了近300倍。最后结合反射式可编程天线设计原理,对设计的可重构单元的反射波调制特性进行了分析,结果显示该单元对反射波的相位同样具有1-bit的调制功能。在电磁计算的基础上,加工制作了控制电路、开关阵列和可编程电磁结构阵列,组装搭建了可编程辐射式阵列天线和反射式阵列天线。微波暗室实测数据与仿真结果吻合良好,验证了同一口径下可编程阵列天线对辐射波束和反射波束的灵活调制能力。
低剖面和可编程人工电磁结构天线研究
这是一篇关于人工电磁结构,低剖面天线,电磁透镜,可编程天线,阵列天线,辐射式,波束灵活赋形,数字全息理论的论文, 主要内容为频谱资源的紧张和电磁环境的日益复杂都迫切需要通信、雷达等无线系统进行快速更新换代,天线技术的发展是影响这一进程的一大关键因素。为了使系统能更好地应对电磁环境的变化,设计者们不仅希望在传统天线设计中获得更优良的带宽和辐射增益,同时也希望设计出辐射性能可调控的新型天线,以适应动态变化的应用场景。人工电磁结构技术为电磁波调控提供了一种全新的手段,其出现给电磁器件尤其是天线带来了新的设计灵感和方法。在此背景下,本论文围绕人工电磁结构在低剖面和可编程天线中的应用,首先研究了电磁结构单元的设计理论和实现方法,然后重点探索了其应用于增强传统天线辐射性能和可编程波束扫描天线设计方面的工作机理和性能特点。论文主要研究工作如下:1、研究了人工电磁结构的设计理论和方法,提出了三种具有表面阻抗、色散特性调制能力的单元结构,设计了一种超宽带且可对双极化电磁波进行调制的结构单元。首先设计了三种基本的人工电磁结构单元,在研究三种不同形式的结构单元上表面波色散特性的基础上,分析了单元的阻抗特性,提出了人工电磁结构的等效建模和分析方法。针对现有人工电磁结构在传统低剖面天线中应用时存在的带宽窄、结构复杂、结构剖面高等问题,提出了一种工作带宽达到2GHz-20GHz(相对带宽164%)的超宽带电磁结构单元设计方法,提取了单元的等效介电常数、折射率等电磁参数,并结合表面电流分布分析验证了单元在低剖面天线应用中的可行性,为人工电磁结构在传统天线中的应用提供了支撑。2、研究了人工电磁结构在天线中的作用机理,提出了电磁结构透镜的建模分析方法,设计了两款超宽带、高增益的电磁透镜Vivaldi天线。针对传统Vivaldi天线在应用中存在低频工作带宽受限、高频段方向性降低、增益恶化等问题,分析了由人工电磁结构组成的新型电磁透镜对Vivaldi天线性能的影响。设计了具有高介电常数、高折射率等属性的电磁透镜,可对天线口径处的电磁波进行调制。将透镜集成到天线口径处,采用分析电场幅度和相位分布的方法,阐明了透镜对天线口径处的电磁波的作用机理和调制方式,并获得了最优的透镜结构。根据不同应用场景,提出了两种加载电磁透镜的Vivaldi天线设计方法,仿真和实测结果表明,设计的加载透镜的小型化Vivaldi天线低频工作带宽扩展了2GHz,两款天线辐射增益最大分别提高了3.7d B和3.2d B,方向性也得到明显改善。3、提出了一种新型的加载PIN二极管的辐射式电磁结构单元及设计方案,设计了具有对辐射相位和反射相位双重调制能力的可编程波束扫描天线。针对现有可编程人工电磁结构天线剖面高、体积大、馈电不均匀等问题,采用将馈电结构与相位调制结构一体化的方法,提出了一种工作在X波段的低剖面辐射式可重构人工电磁结构单元天线设计方案。单元天线上加载了两个PIN二极管,改变二极管的通断状态可调节天线上电流的流动方向和电场的分布区域,使得天线的远场辐射相位差具有0°和180°两种可调制状态,具有1-bit数字可调节特征。分别设计了包含1×32单元和8×16单元的不依托移相器组件的低剖面可编程波束扫描阵列天线,并结合数字全息理论对阵列天线中每个单元进行编码,实现了对天线辐射电磁波的灵活赋形调制。其中一维可编程天线实现了-60°～60°的波束扫描,二维可编程天线实现了方位面上的-60°～60°和俯仰面上的-40°～40°波束扫描。与现有主流工作相比,同指标下提出的辐射式阵列天线剖面高度压缩了近300倍。最后结合反射式可编程天线设计原理,对设计的可重构单元的反射波调制特性进行了分析,结果显示该单元对反射波的相位同样具有1-bit的调制功能。在电磁计算的基础上,加工制作了控制电路、开关阵列和可编程电磁结构阵列,组装搭建了可编程辐射式阵列天线和反射式阵列天线。微波暗室实测数据与仿真结果吻合良好,验证了同一口径下可编程阵列天线对辐射波束和反射波束的灵活调制能力。
面向军用预警测控系统的阵列天线及Fabry-Perot天线研究
这是一篇关于阵列天线,相控阵天线,Fabry-Perot天线,雷达散射截面,吸收式频率选择结构的论文, 主要内容为天线作为无线系统的能量收发窗口,是军用预警测控系统的关键部件。天线在不同军用预警测控系统中应用时,不仅对增益有一定要求,还需要满足系统的其它需求,比如可靠性、波束扫描、隐身性能等。针对不同军用预警测控系统的天线应用需求,本文主要研究了宽带偶极子阵列天线和基于吸收式频率选择结构(Absorptive Frequency Selective Structure,AFSS)的Fabry-Perot天线,文章主要内容如下:1.提出了一种面向军用车载测控系统的紧凑型低成本宽带偶极子阵列天线。为实现天线增益提升,设计了2×2元偶极子天线阵列。然后设计了由巴伦结构和微带线组成的馈电网络,以实现同轴线到每个天线单元的等幅同相馈电。巴伦结构与天线单元结合引入了新的谐振模式,有效拓宽了天线带宽。最后,将馈电网络与偶极子阵列集成在同一介质基板上,无须使用额外的功分器,可直接采用同轴馈电。所设计阵列天线增益为10～12 d Bi,同时具有结构紧凑、高可靠性、低成本等优点。2.提出了一款面向军用地面雷达系统的双极化宽带紧耦合相控阵天线。通过相邻偶极子天线单元末端的错层重叠来实现天线阵元之间的强耦合,有效展宽天线带宽,实现宽频带、宽角波束扫描。针对天线高频出现辐射奇点的问题,设计了新型结构的金属底板,通过缝隙刻蚀的方法截断了底板上对应奇点频率的电流,使天线获得了宽频带、稳定的辐射方向图。3.针对当前军用测控系统对隐身性能的要求,提出了一种基于AFSS提升增益的低RCS Fabry-Perot天线。AFSS作为Fabry-Perot天线的部分反射面,同时实现了天线增益的提升和RCS的缩减。所设计天线相比已报道的Fabry-Perot天线,在相近增益时具有更高的口径效率。此外,对Fabry-Perot天线的增益、口径效率与口径之间的关系展开研究,给出了Fabry-Perot天线口径尺寸的设计参考。4.研究了Fabry-Perot天线的H面波束展宽。在常规Fabry-Perot天线基础上,通过在Fabry-Perot谐振腔的H面两侧加载金属板,降低边缘AFSS单元表面的电场,进而拓宽FabryPerot天线的H面波束宽度。研究结果表明,采用新型结构的Fabry-Perot天线既提升了增益,又同时具有H面宽波束的性能,更具实际应用价值。
面向军用预警测控系统的阵列天线及Fabry-Perot天线研究
这是一篇关于阵列天线,相控阵天线,Fabry-Perot天线,雷达散射截面,吸收式频率选择结构的论文, 主要内容为天线作为无线系统的能量收发窗口,是军用预警测控系统的关键部件。天线在不同军用预警测控系统中应用时,不仅对增益有一定要求,还需要满足系统的其它需求,比如可靠性、波束扫描、隐身性能等。针对不同军用预警测控系统的天线应用需求,本文主要研究了宽带偶极子阵列天线和基于吸收式频率选择结构(Absorptive Frequency Selective Structure,AFSS)的Fabry-Perot天线,文章主要内容如下:1.提出了一种面向军用车载测控系统的紧凑型低成本宽带偶极子阵列天线。为实现天线增益提升,设计了2×2元偶极子天线阵列。然后设计了由巴伦结构和微带线组成的馈电网络,以实现同轴线到每个天线单元的等幅同相馈电。巴伦结构与天线单元结合引入了新的谐振模式,有效拓宽了天线带宽。最后,将馈电网络与偶极子阵列集成在同一介质基板上,无须使用额外的功分器,可直接采用同轴馈电。所设计阵列天线增益为10～12 d Bi,同时具有结构紧凑、高可靠性、低成本等优点。2.提出了一款面向军用地面雷达系统的双极化宽带紧耦合相控阵天线。通过相邻偶极子天线单元末端的错层重叠来实现天线阵元之间的强耦合,有效展宽天线带宽,实现宽频带、宽角波束扫描。针对天线高频出现辐射奇点的问题,设计了新型结构的金属底板,通过缝隙刻蚀的方法截断了底板上对应奇点频率的电流,使天线获得了宽频带、稳定的辐射方向图。3.针对当前军用测控系统对隐身性能的要求,提出了一种基于AFSS提升增益的低RCS Fabry-Perot天线。AFSS作为Fabry-Perot天线的部分反射面,同时实现了天线增益的提升和RCS的缩减。所设计天线相比已报道的Fabry-Perot天线,在相近增益时具有更高的口径效率。此外,对Fabry-Perot天线的增益、口径效率与口径之间的关系展开研究,给出了Fabry-Perot天线口径尺寸的设计参考。4.研究了Fabry-Perot天线的H面波束展宽。在常规Fabry-Perot天线基础上,通过在Fabry-Perot谐振腔的H面两侧加载金属板,降低边缘AFSS单元表面的电场,进而拓宽FabryPerot天线的H面波束宽度。研究结果表明,采用新型结构的Fabry-Perot天线既提升了增益,又同时具有H面宽波束的性能,更具实际应用价值。
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