宽频带圆极化天线的实现方法研究

作     者：吴志远 

作者单位：西安邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李绪平;宋雪艳

授予年度：2023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：圆极化 宽带 交叉偶极子 馈电网络 极化超表面 

摘      要：圆极化天线可以接收任何线极化的电磁波,避免极化不匹配造成的能量损失,还可以减小多径散射,且不会受到法拉第旋转效应的影响。基于以上优点,圆极化天线系统具有很好的可靠性和稳定性,在卫星通信、射频识别、雷达等领域有着广泛的应用。基于传统圆极化天线的实现方法,本论文对圆极化天线的实现方法进行了研究,并采用以下三种方法设计了对应的三种宽带圆极化天线,主要内容如下:1、基于单馈法设计的圆极化交叉偶极子天线。主要结构是由一对偶极子、90°相位延迟环、矩形寄生贴片以及阶梯型腔体组成。两偶极子正交放置在介质板两侧,相移环对偶极子馈电使偶极子臂产生90°的相移,同轴内外导体对两组偶极子馈电使四个偶极子臂依次实现0°、90°、180°、270°相位,从而实现圆极化。在偶极子臂旁添加矩形贴片,由于贴片的自谐振引入了高频谐振点,从而拓展了天线带宽。添加的阶梯型腔体,延长电流路径,产生低频谐振点,展宽了低频带宽,同时,获得了增益稳定性。最终实测结果表明,该天线的阻抗带宽为80.8%(2.03-4.78 GHz),轴比带宽为68.5%(2.35-4.8 GHz),除了具有良好的宽带圆极化性能,增益波动小于1.5d B。2、基于馈电网络的L型开口缝隙圆极化天线。该天线由两部分组成,分别是馈电网络和缝隙天线单元,并采用同轴从中心馈电。首先,以5 GHz为中心频率设计了L型开口缝隙天线,通过调整微带馈电位置实现了圆极化。因顺序旋转排布具有提高圆极化性能的作用,设计了基于4单元的顺序旋转阵列天线。其次,设计了输出功率相同、相位依次滞后90°的顺序旋转馈电网络。最终,将天线与馈电网络结合成2×2阵列,实现了宽带圆极化特性。仿真结果表明,该天线阻抗带宽达为55.1%(3.43-6.04 GHz),轴比带宽为33%(3.82-5.33 GHz),天线的峰值增益达到9 d Bic。3、基于极化超表面的圆极化天线。首先分析了极化转换超材料((Polarization Conversion Metasurface,PCM))线转圆极化的原理,设计了一种双环槽型结构的超表面单元。其次,将超表面单元组成4×4阵列,并加载到缝隙天线上,由于缝隙天线与超表面的共地结构,最终天线实现了低剖面特性。仿真结果表明,该天线的阻抗带宽为24.3%,轴比带宽为20.3%,峰值增益可达6 d Bic。为了进一步展宽带宽,以此基于超表面的天线作为单元,进行顺序旋转排布,形成2×2的天线阵列(PCM:8×8阵列),并通过馈电网络进行馈电。由于超表面结构的镜像可以削弱反射波,此天线阵列可实现较低的降低了雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)。最后,仿真结果表明,基于超表面的圆极化天线阵列的阻抗带宽可达到55.5%(3.31-5.85 GHz),轴比带宽为30.7%(4.24-5.78 GHz),峰值增益可达10.4d Bic。此天线阵列不仅实现宽带高增益,还具有RCS缩减特性。