基于本征模理论的微带天线研究

作     者：谭东升 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：翟会清

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：微带天线 本征模 宽带 交叉极化 滤波 

摘      要：微带天线因其能够适应现代无线通讯频段不断升高尺寸不断减小的趋势而越来越受到大众的重视。作为解释电磁波辐射的一种经典方法,从波导移植而来的本征模理论被应用到微带天线上用于指导设计,这种方法在各种天线性能上展现出了相当的可行性。本文就是以本征模理论为指导设计了三款不同功能的微带天线,由浅入深的分别实现了宽带、低交叉极化和滤波功能,所设计的三个天线具体的细节内容如下: 首先介绍了一款低剖面双模谐振宽带微带天线,采用差分馈电形式,天线拥有良好的辐射方向图和带内增益。该天线利用TM14模式与TM34模式相互结合构成宽带效果,四个角落添加开路枝节降低谐振频率,刻蚀横向的长缝拉近两个谐振点,同时长缝也能改善辐射方向图。经此设计的天线阻抗带宽可以达到14.3%,天线剖面高度为0.04λ0（λ0为自由空间波长）,在整个工作频带内天线的增益稳定在8.16-10.5d Bi。 其次提出了一种通过改变高阶谐振模式电流来解决微带天线的交叉极化辐射的方法。基于一些有见解的研究,相邻的谐振模式之间会相互产生明显的影响,一款低交叉极化天线模型被设计出来用于验证该理论,其工作谐振模式TM3/2,0的谐振电流均沿E面,而其交叉极化辐射主要是因为与有着横向沿H面电流的TM1/2,2模式相邻,通过一对宽缝和两个短路枝节将TM1/2,2电流充分弯折,使得天线在TM3/2,0模式下的交叉极化辐射水平被极大的抑制了24.3d B,同时所有操作不会对E面主极化方向图产生损害,并且这个抑制效果在整个俯仰角范围内都有效。相比其他传统抑制交叉极化的方法,这种技术交叉极化的下降量和全仰角特性令人兴奋。所提出的抑制方法兼容商用的介质基板印刷技术,同时该方法无需增加额外结构对天线不造成负担。 最后提出了一款能够兼顾选择性和带外抑制的宽带滤波天线。通过重新规划排布天线的谐振模式频率分布,在天线工作频带的两侧外缘形成辐射零点,使得增益曲线出现快速的滚降,从而增强天线的选择性。带外抑制的实现则是加入寄生贴片,通过在更高频段引入滤波点来降低带外增益。上述手段能够有效实现对带外的滤波点调节同时不会对辐射频带内的电性能造成影响。工作频带的宽带性能则是通过TM10模式和寄生谐振模式有机组合在一起,共同完成整个谐振带宽的构建。高阶的TM12模式电流被两对宽缝重新规划成类似于正常基模的模式电流,其辐射方向图被重构,解决了普通TM12模式方向图裂瓣问题,寄生谐振点则被安排到TM10和TM12两模式之间用于抬升谐振阻抗从而拓展带宽。整个天线的最终设计原型被实际加工制造并测量了出来,结果也验证了设计时期望拥有的宽带、高选择性、高抑制度和高效率性能。