新型多波束透镜天线技术研究

作     者：赵晓磊 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张志亚;倪涛

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：多波束天线 QCTO原理 龙伯透镜天线 Rotman透镜天线 

摘      要：随着科技的进步以及人民日益增长的美好生活需要,愈发多元化的电磁环境和应用场景对天线系统也有着更多诸如多波束、高增益、宽角覆盖、波束快速扫描等性能的要求。在各种多波束天线中,透镜类多波束天线高性能与低成本兼具的特点使其不管是在无源探测、电子对抗、卫星通讯等军用领域还是5G通信、遥感、自动驾驶等民用领域都得到了广泛的应用和飞速的发展。因此,对透镜类多波束天线的主要发展方向和发展瓶颈进行技术突破意义重大。 本文的相关工作主要聚焦在多波束透镜天线的小型化技术、宽频带技术和宽角扫描技术方面。文章分别从平面龙伯透镜和Rotman透镜两种透镜形式入手,以透镜天线的多波束形成原理为出发点,详细阐述了透镜天线的光学特性和设计方法,并开展了多波束透镜天线的相关技术研究。其中主要的研究内容如下。 1、基于具体的工作频率与指标要求,对多波束天线的馈源部分进行了研究。分别对适合小型化场景的微带天线馈源阵列以及适合宽频带要求的Vivaldi天线馈源阵列进行了设计,之后根据多波束透镜天线的具体需求分别对两种馈源阵列进行了改进和优化。 2、基于等效媒质理论,对具有特定介电常数的材料的制备方法进行了研究。通过对材料的离散结构的设计完成了微观上两种不同介质材料的成比例混合,进而在宏观上得到了一种介电常数介于二者之间的人工合成材料。 3、基于平面龙伯透镜天线,对多波束天线的小型化技术进行了研究。在透镜所在空间发生变化的情况下,利用QCTO原理将空间坐标的变化和空间内电磁材料属性的变化相等效,可以保持电磁波行为不变,这为平面龙伯透镜天线的小型化提出了一种新的解决方案。通过对平面龙伯透镜天线进行空间变形,设计出了一款新型小尺寸多波束透镜天线,之后采用等效媒质理论结合3D打印技术完成了透镜的理想介电常数模型的工程实现。透镜天线整体采用七个波束完成了±30°的方位面扫描,而且所有波束的增益均大于15d Bi。小型化的设计不仅可以使透镜天线的尺寸缩减30%以上,而且还将它的应用场景拓展到了直线阵列上。 4、基于Rotman透镜多波束形成网络,对多波束天线的宽带大角度扫描的关键技术进行了研究。首先对影响Rotman透镜腔体轮廓的各个参数进行了分析,并研究了广角扫描下腔体轮廓的设计和改进方法。之后针对大角度扫描时能量传输指向不准确、幅度分布不均匀等问题,对透镜的波束口和阵列口的设计进行了改进,并对虚端口的多种设计方案进行了比较。最终设计的Rotman透镜结合8×8的Vivaldi天线面阵,在6GHz～12GHz频段用11个波束实现了方位面±50°的宽角扫描。