宽频带天线的研究与设计

作     者：梁志毅 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王正斌

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：宽频带 螺旋天线 正弦天线 介质透镜 频率选择表面 

摘      要：随着无线电技术的不断发展,无线通信系统频谱资源日渐紧张,且越来越多的无线设备需要在不同频率范围或一个宽频带范围内实现高效的数据传输和通信,因此,具有宽频带甚至超宽带性能的前端射频天线,逐渐成为人们研究与设计天线性能中的热点之一。同时,现代无线电技术面临的应用环境日益复杂,天线的设计也必须根据实际应用指标及需求进行优化,从而充分发挥系统的性能。小型化、轻量化且电性能良好的天线也是研究设计中的必然追求。本文针对不同应用场景下宽带天线的需求,分别根据具体指标研究并设计了两款加载介质透镜的超宽带天线,以及一个低剖面复合螺旋天线。首先,针对医疗检测系统中对天线宽频带、高增益的应用需求,本文设计了一款加载介质透镜的环耦合平面螺旋天线,该天线由环耦合平面阿基米德螺旋天线作为辐射主体,同时在顶部加载半球形介质透镜,底部设置金属圆台形反射背板,实现了调整波束形状和提高天线增益的目的。实际装配的天线高度约为87.53 mm,实测结果表明天线在3-12 GHz工作频带内S小于-10 d B,轴比小于3 d B。此外,天线的3 d B波束宽度基本小于70°,增益可达8d B以上,呈现出良好定向辐射特性。其次,基于相似的应用场景,本文还设计了一款加载介质透镜的超宽带平面正弦天线作为应用拓展,引入扩展半球形介质透镜和金属圆台形反射背板,改善天线电性能。实测天线VSWR2的阻抗带宽为0.86-10.39 GHz,接近12:1的宽频比,同时,天线具有较窄的3 d B波束宽度(30°-50°)与大于7.20 d B增益表现。最后,针对区域环境检测、频谱测向系统方面的应用,本文设计了一款加载频率选择表面(Frequency Selective Surface:FSS)吸波器的低剖面复合螺旋天线,该天线将阿基米德螺旋线与等角螺旋线复合,并在阿基米德螺旋臂加载正弦函数曲折处理的方法构造出小尺寸天线辐射体,最后利用FSS单元的吸波特性构造出天线的吸波腔体,以实现天线单向辐射。加工的天线剖面高度仅为33.70 mm,实测结果显示在2-6 GHz内VSWR均小于2,轴比均小于3 d B,增益大于4 d B,拥有稳定的圆极化辐射性能。