基于特征模式分析的波束可切换微带天线的研究

作     者：付小娜 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张展

授予年度：2020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：微带贴片天线 特征模式分析 模式融合 波束可切换 波束扫描 

摘      要：随着5G时代的到来,波束可切换和可扫描天线得到了广泛关注,具有重要的理论和应用价值。本文结合特征模式分析(Characteristic mode analysis,CMA)和多模式相融合的思想,设计了多款高性能的具有波束可切换和可扫描特性的天线,具体研究工作分为以下三点:(1)基于CMA提出了一款具有可切换端射波束的垂直极化贴片天线。在三个矩形贴片组成的阵列中引入短路针使波束垂直于阵列的Mode J移至其他频率,而沿阵列方向的双向波束模式Mode J和Mode J在谐振点的电流相位相差90°。采用模式融合方法,最终产生近端射方向图,增益达5.19d Bi,在2.17GHz波束倾角达60°,副瓣电平低于-15d B。当馈源在两个对称端口间切换时可实现波束的切换。(2)基于CMA提出了一种具有波束扫描、高增益、低副瓣特性的波束可切换微带八木贴片天线。在四元阵列中存在Mode 4、Mode 5、Mode 7、Mode 9四个模式,随着频率的升高,模式从边射变为平行于阵列方向的双向波束,且倾角依次增大。引入短路针并进行调节,实现了相邻模式的相互融合,Mode 7和Mode 9的旁瓣得到了抑制,最终在3.2GHz-3.335GHz实现了频扫:波束从14°至51°均匀扫描,测试增益高达9-10d Bi,在3.215GHz至3.295GHz副瓣电平低于-20d B,并且切换馈源可实现波束的切换。(3)对波束可切换微带天线进一步研究。首先增加阵列单元,设计了五单元的微带Yagi天线,模式有效融合后实现了18°至53°的波束扫描,波束最大倾角的辐射增益为10.9d Bi,同时具有低副瓣和波束可切换特性。最后设计了一个Cross形四波束可切换天线,通过对介质板和地板的设计实现了对表面电流的控制,减弱了正交模式间互耦的影响,在不同位置分别馈电实现了波束在水平方位0°,90°,180°,270°的切换,波束最大倾角达70°,此时增益为5.23d Bi。本文运用模式融合原理对天线进行设计,提升了多元微带天线的辐射特性,同时又具有可切换波束,比传统端射天线更有优势。