基于周期结构的强耦合阵列天线的设计

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随着现代无线通信技术的飞速发展,强耦合阵列天线在相控阵雷达、空间探测、移动通信等领域有着广泛的应用。因此,研究提升强耦合阵列天线的阻抗带宽有着重要理论意义和实用价值。作者的主要工作可概括为:1.研究了具有金属地板的频率选择表面(FSS),提出了一种加载磁介质的FSS复合结构。通过对单层FSS、双层FSS以及加载磁介质的FSS进行了大量的仿真分析和优化设计,研究了各个尺寸参数对于FSS频率特性的影响。设计出工作在3.6-7.2GHz频段内的单层FSS复合结构,其反射系数小于-10dB,反射相位在-90~+90度之间。为了提升复合结构的工作带宽,设计出双层FSS复合结构,其工作带宽增加了17%。在此基础上,通过加载磁介质进一步增加了FSS复合结构的工作带宽,研究表明在2.9-5.7GHz范围内反射系数小于-10dB,并且反射相位在-90-+90度之间变化平稳。2.基于强耦合阵列的带宽极限原理,研究了展宽强耦合阵列天线阻抗带宽的方法。为了降低剖面和增加带宽,分别设计了加载单层FSS、加载双层FSS以及加载具有磁介质的FSS无限大强耦合阵列天线。其中,单元结构采用交叠偶极子的形式。通过大量仿真优化,结果表明,加载单层FSS的阵列工作带宽倍频程可以达到18.7,加载双层FSS的阵列工作带宽倍频程可以达到35.5,加载具有磁介质的FSS阵列的工作带宽倍频程可以达到46.9。3.研究了有限大强耦合阵列天线。其中采用加载单层FSS的复合结构,分别设计了2×8和1×8的强耦合阵列,分析了不同单元在相扫时的有源驻波比的变化。并进行加工、组装和测试了1×8的强耦合阵列,阵列的整体尺寸为λ0×0.12λ0,剖面高度为0.17λlow。测试结果与仿真结果一致,实现了3.5倍频的工作带宽。设计了一种加载磁介质的2×8强耦合阵列天线,分析了其不同单元的阻抗特性。阵列在1.5GHz,5GHz以及11GHz频点处增益分别为6.5dBi,9dBi和18.4dBi,对应的阵列整体尺寸分别为0.15λ×0.6λ,0.5λ×2λ,1.1λ×4.4λ。将该阵列单元与加载单层FSS的2×8阵列单元的有源驻波比进行对比,结果表明,加载磁介质可以有效改善2×8强耦合阵列天线的阻抗匹配,可以实现5倍频的工作带宽。
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