紧凑型宽带定向辐射天线设计与分析

作     者：毛宇 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林澍

授予年度：2018年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：紧凑型天线 宽带天线 定向辐射 磁电偶极子 介质杆天线 

摘      要：为减少无线系统的复杂度,结构紧凑化、宽带化天线是未来发展的趋势,紧凑型宽带定向辐射天线具有易于装配、便于测量、覆盖频带范围广等特点,在移动通信以及小型暗室中的微波测量领域具有重要的应用及研究意义。本文设计了两种紧凑型宽带定向辐射天线,分别是纵向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线以及横向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线。所设计的纵向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线由一个有源振子,一个引向器和一个反射器组成。有源振子为印刷型开槽电偶极子和磁偶极子的组合形式,以增加天线的阻抗带宽。引向器也是印刷型开槽电偶极子与磁偶极子的组合形式,可以抑制天线在高频段的分束现象并改善天线的阻抗匹配。椭圆柱面反射器可起到抑制副瓣的作用。该纵向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线的工作带宽为115%(0.75-2.8 GHz),增益高于5 d Bi,副瓣电平低于-10 d B,前后比大于10 d B,纵向尺寸为最低工作频率所对应波长的0.155倍。所设计的横向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线由聚四氟乙烯介质杆,渐变脊波导和同轴-脊波导阶梯式馈电结构组成。聚四氟乙烯介质杆包括电磁波传输段和辐射段,辐射段主要利用横向尺寸较小的圆介质波导内的主模HE11模产生低副瓣高增益的方向图,传输段的四斜劈波导-介质过渡结构改善了天线的阻抗匹配。渐变脊波导使天线在较小的横向尺寸内实现了较宽的带宽,渐变脊的形式改善了金属波导与介质波导之间的阻抗匹配。同轴-脊波导阶梯式馈电结构采用平行式馈电,实现了较宽的馈电带宽并且未增加天线的横向尺寸。该横向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线仿真得到的带宽为75.9%(180 GHz),增益大于10 d Bi,副瓣电平低于-12 d B,前后比大于15 d B,横向尺寸为最低工作频率对应波长的0.51倍。测试结果表明天线的带宽为21-37 GHz(55.2%)。上述两种紧凑型宽带定向辐射天线均通过CST Microwave Studio?电磁仿真软件进行了仿真优化工作,并加工了天线实物,使用安捷伦N5227A型矢量网络分析仪对实物进行了测试,测试结果表明实验结果与仿真结果吻合较好,证明了设计的正确性。两种天线均实现了结构紧凑化,其中纵向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线适用于移动通信领域,横向尺寸紧凑型宽带定向辐射天线适用于小型暗室的微波测量领域。