新型超级宽带高定向单极子天线及阵列设计究

作     者：胡枭 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈星;杨慎谦

授予年度：2021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：超级宽带 小型化 定向天线 高增益 阵列天线 

摘      要：随着高速互联网和高容量数据通信的快速发展,通信系统对天线的带宽需求越来越大,宽带和超宽带(ultra-wideband,UWB)天线设计受到了高度重视和广泛应用。人们甚至不局限于FCC在2002年规定的超宽带通信所覆盖的3.1GHz～10.7GHz的频谱范围,而开始追求更宽的天线带宽。超级宽带(super-wideband,SWB)天线特指工作带宽超过10:1倍频程的天线,由于更宽的频带范围,当前SWB天线设计已成为天线研究领域的热点之一。但在许多应用领域,天线不仅要求具有超级宽带性能,同时还要求小型化、高定向性和结构简洁。而现有天线中具有超级宽带特性的寥寥无几,并且它们中一些不具有定向方向图或定向增益低,一些尺寸大和结构复杂。2011年墨西哥学者***-Solis在其发表的学术论文中提出了一种超宽带定向单极子天线,该天线结构简洁,定向性良好,但还没有达到超级宽带水平,并且天线尺寸较大和定向增益较低。本文基于该定向单极子天线,采用等分切角、短路加载、和高定向引向器等技术,拓展该天线工作频带、缩减尺寸和提升增益,设计了一种具有超级宽带、小型化和高定向增益的新型单极子天线,并尝试将该超级宽带定向单极子天线设计为短波通信天线;采用非均匀和异构阵列技术,设计一款高定向增益和低旁瓣的超级宽带单极子天线阵列。论文主要研究工作和创新如下:(1)定向单极子的小型化和超级带宽设计。通过对辐射板等分切角设计,提高了高频阻抗带宽的同时缩小天线尺寸;采用短路片加载技术,通过在辐射板和金属地之间增加两只短路片拓展了低频带宽,进一步实现天线小型化,结合等分切角设计获得了超级宽带;天线背板和地板组成角反射器,并结合倾斜辐射板设计,实现了天线定向辐射。仿真和测试表明,天线|S|-10d B的阻抗带宽比达到25.7:1(0.97～25GHz),不包括/包括反射面的天线尺寸分别为0.18λ×0.15λ×0.13λ和0.18λ×0.26λ×0.31λ,λ为最低工作频率对应的波长,在工作频段内实际增益约1.6～11.3d Bi。天线在整个工作频段范围内定向辐射特性稳定,实现了小型化的同时具有优越的超级宽带特性。(2)短波超级宽带高定向单极子天线设计。短波通信天线要求覆盖3MHz-30MHz短波频段,由于短波的波长达到10m-100m,对天线小型化和结构简洁有很高要求,因此本文探索将超级宽带定向单极子天线应用于短波通信天线的设计。根据行波天线的特性设计了天线引向器,通过单极子辐射和引向器辐射叠加实现高定向辐射特性,并针对短波天线特殊的无限大地安装环境特点,将大地表面铺设的地网作为天线的引向器,有效缩小天线结构,实现短波超级宽带高定向单极子天线设计。为了便于对天线方案验证和测试,仿真和测试了一款起始频点为100MHz的天线缩比模型,天线尺寸为0.28λ×0.13λ×0.15λ,其VSWR2.5的阻抗带宽为100MHz-1000MHz,达到10:1的倍频程,可覆盖3MHz-30MHz的短波频段,测试表明天线下方铺设1λ电尺寸长的地网情况下,可以实现最高增益为12.8d Bi,具有良好的超级宽带特性和高定向特性。(3)设计了一款超级宽带非均匀分布异构阵列天线。仿真分析了1×4均匀分布直线阵天线,针对其存在的有源驻波低频性能差,天线副瓣电平、后瓣电平过高的缺陷,通过天线阵列单元之间的不等间距设计,结合天线单元的同步优化,有效降低了天线的有源驻波比的同时缩小了天线尺寸;针对天线副瓣、背瓣过大问题,通过设计不等高度天线单元形式,在保证主瓣辐射不发生变化的同时通过倾斜辐射板辐射的相互抵消效果,实现降低副瓣电平的效果,结合天线的背板设计,实现天线阵列低副瓣、低后瓣、覆盖10:1阻抗带宽比的超级宽带非均匀分布异构阵列天线设计。采用提高频率方法制作了该天线缩比样品,天线有源驻波比小于2.5的阻抗带宽为0.8GHz-8GHz,能够覆盖10:1的工作带宽,天线最高增益达到20.2d Bi,整个频带内天线副瓣电平≤-10d B,背瓣电平≤-15d B,具有高增益、超级宽带、低副瓣、低背瓣的性能优势。