高增益环形贴片天线的分析与设计

作     者：陈青青 

作者单位：西北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李建瀛

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：单馈 高增益 圆极化 微带天线 极化可重构天线 

摘      要：圆极化微带贴片天线因具有结构简单、剖面低和尺寸小等优点,被广泛应用在通信、雷达和医疗成像等领域。为了降低系统复杂度,提高设备便携性,宽频带圆极化天线和可重构天线成为目前的研究热点。本文研究了一种环形切缝圆极化微带天线、三种宽带环形圆极化微带贴片天线和一种极化可重构微带天线。首先,本文研究设计了一种单馈高增益环形圆极化微带天线,其由辐射贴片和地板组成,结构简单。为了实现高增益特性,在辐射贴片与地板之间填充空气层,以减小辐射贴片下方的电磁能量密度。两个不等长的弧形金属贴片激励出两个相互垂直且具有90°相位差的线极化模式,辐射圆极化波。对设计的天线进行了加工测试,测试结果与仿真结果基本一致,验证了天线设计的可靠性。阻抗带宽(|S|-10 d B)的测试结果约为16.7%(3.78–4.47 GHz),轴比带宽(AR3 d B)约为3.6%(4.09–4.24 GHz)。天线增益在工作带宽(4.09–4.24 GHz)内高于10.0 d B,测得的最高增益在4.11 GHz处,为10.67d B,能够稳定的辐射左旋圆极化波。其次,本文研究了展宽环形微带天线工作带宽的方法,通过改变辐射贴片的形状展宽其轴比带宽。根据设计和分析结果,加工制作了三种宽带圆极化环形微带天线,辐射贴片分别为方环形贴片(天线1)、外圆内方的环形贴片(天线2)和外方内圆的环形贴片(天线3)。测试结果与仿真结果几乎一致。天线1的轴比带宽(AR3 d B)的测试结果约为5.4%(3.25–3.43 GHz)。天线2和天线3的实测轴比带宽(AR3 d B)分别约为6.2%(3.74–3.98 GHz)和6.1%(3.80–4.04 GHz)。由此得出,通过改变环形贴片的形状可以有效展宽该圆极化天线的工作带宽。最后,本文设计了一种极化可重构环形切缝高增益微带天线,该微带天线由环形辐射贴片、开关二极管、非金属支撑柱和接地板组成。通过控制开关二极管的偏压,该极化可重构天线可以工作在三种极化状态:线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。另外,三种极化状态(线极化、左旋圆极化、右旋圆极化)的天线增益在工作频段内均高于10.0 d B且实现了稳定的单向辐射。通过分析仿真和测试结果,测试的天线在线极化、左旋圆极化、右旋圆极化三种极化状态的共同工作带宽为3.86–3.98 GHz,相对带宽约为3.1%。设计的天线在工作频带(3.86–3.98 GHz)内具有良好的极化可重构特性。