锥状波束天线的研究与设计

作     者：郭林士 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙胜

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：锥状波束 介质透镜 圆形贴片 贴片阵列 

摘      要：锥状波束天线的最大辐射方向在一个与垂直于天线口径面的法线方向呈一定倾角的锥面上,其相比于笔状波束天线有较大的覆盖范围,相比于全向天线又具有较高的增益,因此锥状波束天线在一些特殊场景中有着很大的优势,比如地面移动车辆与卫星的通信、预警系统和导弹的引信系统等。目前能够产生锥状波束的结构有很多,本文在前人研究的基础上,针对锥状波束天线增益较低和波束的倾角难以控制等问题做了进一步的研究,本文的主要工作和贡献包括以下三个方面:1.推导了开口同轴波导工作于主模TEM模时产生的辐射场的解析解,在此基础上给出了设计特定倾角锥状波束的天线的方法,之后针对此种方式增益低的问题在口径面上加载了一个介质透镜,并推导了产生特定倾角的锥状波束所需的介质透镜表面应满足的方程,该透镜不仅能够控制锥状波束的倾角,还能在一定程度上提升增益,最后设计了一个倾角为45°的锥状波束天线来验证上述理论,仿真结果与理论相吻合,且天线的增益达到了10.7d Bi。2.基于圆形贴片微带结构设计了一个高增益的锥状波束天线,该结构通过在圆形贴片的周围加载一圈金属通孔,改变原来的场分布,使天线的增益得到提升,后又通过在圆形贴片上开环形缝隙,引入新的工作模式,拓展了天线的相对阻抗带宽,最后设计了一个实物进行加工测试以验证上述设计,结果表明其最大辐射方向为24°,增益为9.4d Bi。3.将六个矩形贴片排列成环状来产生锥状波束,并且通过改变矩形贴片的放置方式,使辐射缝隙相对于阵列中心分别呈环向和径向排列,分别实现了垂直极化和水平极化的锥状波束,最后通过对矩形贴片进行切角和调整馈电点的位置,实现了圆极化的锥状波束,实物测试的结果表明圆极化锥状波束天线的最大辐射方向为30°,增益为6.3d Bi,主极化为左旋圆极化,3d B相对轴比带宽为3.6%。本文借鉴光学理论设计出了能够控制锥状波束倾角并提升增益的介质透镜,为设计特定倾角的高增益锥状波束天线提供了新的思路,该介质透镜不仅能用于开口同轴波导,也能扩展到圆波导等具有周向对称性的口径天线结构。圆形贴片微带结构实现了平面结构产生高增益,相比于立体结构容易集成化,易于加工制造。贴片阵列结构实现了对于锥状波束天线极化方式的控制,仅通过对每个阵元进行调整,即可保证在产生锥状波束的情况下实现垂直极化、水平极化和圆极化。