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SIW喇叭天线的小型化和宽带圆极化研究

SIW喇叭天线的小型化和宽带圆极化研究

作者：颜勇明华南理工大学

学位级别：硕士

喇叭天线作为一种在实际无线通信中广泛应用的天线类型,具有结构简单、稳定性高、功率处理能力强等优点。然而传统的金属喇叭天线由于其体积大、重量重的缺点,在许多现代化小型无线平台上的应用受到较多的限制,难以实现。基片集成波导（... 详细信息

喇叭天线作为一种在实际无线通信中广泛应用的天线类型,具有结构简单、稳定性高、功率处理能力强等优点。然而传统的金属喇叭天线由于其体积大、重量重的缺点,在许多现代化小型无线平台上的应用受到较多的限制,难以实现。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）技术的发明提供了一种设计喇叭天线的新方法,使其易于与平面电路集成,且大大减小了喇叭天线的尺寸和制造成本。因此SIW喇叭天线在无线通信中有广泛的应用场景。本文主要针对SIW H面喇叭天线的前后比提高、小型化高增益和低剖面圆极化的实现进行研究,主要研究工作如下:1.提出了一款宽带高前后比的SIW H面喇叭天线阵列。该天线阵列的阵元通过在喇叭孔径后加载折叠金属壁,抑制天线的后向辐射,提高天线的前后比和增益。其中,折叠金属壁由金属贴片和金属化通孔组成。在较宽频段范围内,折叠金属壁对前后比的改善作用稳定,使得天线的前后比均大于20d B。接着通过一分四SIW功分器馈电四个阵元,设计了一款1×4宽带高前后比的SIW喇叭天线阵列。通过增加折叠金属壁的数量,抑制天线组阵对天线前后比的影响,保持工作频带内的前后比均大于20 d B。最终天线阵列的阻抗带宽为36.2%,平均增益为15.4 d Bi,前后比为20 d B,很好的实现了宽带高前后比的特性。2.提出了两款小型化的SIW H面喇叭天线。首先设计了一款小型化的SIW H面喇叭天线。通过加载两段阶梯型硬边界校正小型化后喇叭孔径内的电场分布,提高喇叭的孔径效率和增益,在天线纵向长度减小21.3%的同时,平均增益在31-34 GHz和34-36GHz分别提高了0.8 d B和2 d B。接着提出了一款1×4小型化高增益的SIW喇叭天线阵列。通过同时加载两段阶梯型硬边界和折叠金属壁,校正了小型化后的喇叭孔径内的电场,提高了孔径效率和增益,减小了增益波动。此外折叠金属壁加载于喇叭孔径处时可以改善低剖面下的阻抗匹配。通过一分四SIW功分器馈电四个喇叭天线单元。1×4的天线阵列实现了50%的纵向长度减小,工作带宽内平均增益提升2.6 d B,阻抗带宽为29.9%,最大增益为14.2 d Bi。3.提出了一款低剖面宽带圆极化的SIW H面喇叭天线阵列。首先是圆极化SIW H面喇叭天线单元的设计,通过在SIW喇叭孔径前加载小型化的ALTSA阵列,引入水平极化,并与H面喇叭本身的垂直极化结合,实现圆极化波的辐射。低剖面下喇叭天线的阻抗匹配较差,因此通过加载金属贴片和ALTSA阵列实现喇叭天线的阻抗匹配,在0.07λ的基板上实现了21.4%的阻抗带宽。通过在ALTSA阵列内加载金属通孔引入电感,改变介质的等效传播常数,补偿高频段的相位差,由此拓宽天线的轴比带宽。接下来,通过一个SIW功分器馈电四个天线单元,设计了一款1×4的低剖面宽带圆极化的SIW H面喇叭天线阵列。1×4的圆极化喇叭天线阵列的轴比带宽为14%（13.3-15.3 GHz）,最大增益为13.2 d Bi,实现了宽带圆极化的天线特性。

关键词：基片集成波导 H面喇叭天线高前后比小型化宽带圆极化

用于RFID系统的宽带圆极化聚焦高增益天线设计

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用于RFID系统的宽带圆极化聚焦高增益天线设计

作者：杨鑫大连海事大学

学位级别：硕士

射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是物联网的核心技术,具有十分广阔的应用前景。射频标签制作成本是制约RFID技术应用的主要因素,无芯片标签成本低廉,为RFID系统大规模应用提供了条件,但现存无芯片标签识别系统存在... 详细信息

射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是物联网的核心技术,具有十分广阔的应用前景。射频标签制作成本是制约RFID技术应用的主要因素,无芯片标签成本低廉,为RFID系统大规模应用提供了条件,但现存无芯片标签识别系统存在识别距离近、识别精度差的问题,这就对RFID系统读写器天线性能提出了较高要求。宽带天线可以增加识别的编码位数,圆极化天线可以提升标签识别鲁棒性,聚焦高增益天线能够提高系统识别距离。因此,本文设计了应用于RFID系统的宽带圆极化聚焦高增益天线,具体研究内容如下:(1)研究和分析了不同形式的螺旋天线的性能,设计了一款基于幂指数公式的平面螺旋天线。该天线的螺旋双臂印刷在介质板两侧,螺旋臂宽度先增大后减小,使螺旋双臂紧密缠绕,既改善了轴比,又缩短了天线臂长。设计螺旋臂双臂与馈电巴伦一体化结构,将一条螺旋臂通过馈电线连接巴伦结构,大大降低了剖面高度。通过加载金属反射面实现单向辐射,提高了增益。对该天线进行实物加工及测试,该螺旋天线实测的3 d B轴比带宽为67%(4.6～9.4 GHz),3 d B增益带宽为75.4%(3.8～8.4 GHz),最大增益达到9.5d Bic,实现了宽带圆极化特性,适用于超表面聚焦天线的馈源。(2)利用金属超表面单元的谐振特性,设计了一款中心频率为6 GHz的反射型超表面天线。通过仿真分析,设计一款相移范围超过360°、线性度良好的超表面单元组。利用该单元组设计了一款17×17单元的二维聚焦超表面,配合上述作为馈源的平面螺旋天线,共同组成一个反射型超表面天线,天线焦径比约为0.6,最大增益可达23.9 d Bic,口径效率约为42%,3 d B增益带宽为44%(4.8～7.5 GHz),3 d B轴比带宽为4.6～9.4 GHz,覆盖增益频带,且方向性良好,适用于RFID系统读写器天线。(3)设计了分别工作在5.6 GHz、6.6 GHz、5 GHz/7 GHz、5 GHz/6.5 GHz的四款基于频率选择表面的无芯片标签。利用上述超表面反射天线和矢量网络分析仪进行标签测试实验,对标签识别距离、倾斜角度等因素对识别精度的影响进行了讨论,成功在30°斜入射角度和不同距离上对不同标签实现了识别,验证了RFID系统识别标签方案的可行性。

关键词：射频识别平面螺旋天线超表面宽带圆极化频率选择表面

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缝隙耦合馈电宽带圆极化天线设计

电波科学学报 2010年第4期25卷 739-744页

作者：钱祖平刘亭亭赵菲中国人民解放军理工大学通信工程学院江苏南京210007 国防科学技术大学电子科学与工程学院湖南长沙410073

设计了一种宽带圆极化微带天线。该天线工作在L波段,采用Wilkinson功分器结合90°移相段,借助正交H型缝隙向圆贴片辐射单元耦合馈电,通过提高双端口的隔离度改善了圆极化性能,引入厚度可调空气层进一步优化了工作带宽。测量结果表明:驻... 详细信息

设计了一种宽带圆极化微带天线。该天线工作在L波段,采用Wilkinson功分器结合90°移相段,借助正交H型缝隙向圆贴片辐射单元耦合馈电,通过提高双端口的隔离度改善了圆极化性能,引入厚度可调空气层进一步优化了工作带宽。测量结果表明:驻波小于2带宽达50.4%,轴比小于3dB带宽达32.0%,中心频点0dB以上增益覆盖范围达到115.5°,轴比小于3dB覆盖范围达到157.5°,实现了天线宽频带和宽覆盖角圆极化性能。

关键词：微带天线宽带圆极化宽波束 H缝隙耦合

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宽带圆极化微带反射阵研究

宽带圆极化微带反射阵研究

作者：赵明洋解放军信息工程大学

学位级别：硕士

微带反射阵天线结合抛物面天线和微带阵列天线的优势，具有体积小、重量轻、馈电结构简单等特点，在共形、机动、隐蔽等应用场景优势明显，已成为天线领域的热点研究方向之一。圆极化反射阵天线由于极化匹配性好，抗干扰性强等特点，在... 详细信息

微带反射阵天线结合抛物面天线和微带阵列天线的优势，具有体积小、重量轻、馈电结构简单等特点，在共形、机动、隐蔽等应用场景优势明显，已成为天线领域的热点研究方向之一。圆极化反射阵天线由于极化匹配性好，抗干扰性强等特点，在卫星通信、太空探索、雷达技术、射电天文学等领域有着广阔的应用前景。本文针对目前圆极化反射阵天线研究中存在的单元带宽窄、设计实现仿真量大等问题，首先按照馈源极化形式和相位补偿方式的不同，对线/圆极化转换反射阵、变尺寸圆极化反射阵和旋转单元角度圆极化反射阵开展整体设计方案研究，明确了圆极化反射阵的带宽指标—3dB轴比带宽与1dB增益带宽重叠的带宽;然后对这三类圆极化反射阵的带宽限制因素进行分析，运用不同的宽带技术实现了宽带圆极化。采用双层十字振子单元设计的线/圆极化转换反射阵天线带宽为24%，口径效率最高为48.7%;重点研究了旋转单元角度圆极化反射阵，采用“双环”形单元设计的反射阵天线带宽为31%，最高口径效率为58.5%;采用“工-环”形单元设计的反射阵天线带宽为32%，天线最高口径效率为59.4%。本文所取得的主要研究成果与创新点如下：（1）针对线/圆极化转换反射阵相位补偿与极化转换相关联，不易精确得到单元尺寸、计算量大的设计难题，提出了基于对称、独立条件的线/圆极化转换反射阵设计方法，并以此推导了理想的极化转换反射阵单元应满足独立和对称的条件，为线/圆极化转换反射阵整体设计和单元结构构建提供了崭新的设计思路。（2）从圆极化天线轴比定义出发，推导了圆极化反射阵单元的幅值判定条件和相差判定条件，明确了两个判定条件之间的关系与应用场合，通过数值仿真和实验测试，证明了单元判定条件的准确性与实用性。（3）综合运用微带天线的多谐振理论和线极化反射阵展宽增益带宽的单层多谐振结构，设计了“双环”形宽带圆极化反射阵单元，在此基础之上进一步优化设计，通过延长内环子单元电流路径，设计了具有典型谐振特性的“工-环”形宽带单元，两种结构在拓展3dB轴比带宽方面效果明显。对低频段增益特性的改善进行了探讨，得到了移动馈源位置能有效改善反射阵低频段增益特性的结论。

关键词：反射阵宽带圆极化单层多谐振线/圆极化转换旋转单元角度

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新型毫米波宽带圆极化微带天线阵列设计

微波学报 2013年第1期29卷 70-73,77页

作者：胡志慧姜永华凌祥海军航空工程学院电子信息工程系烟台264001

提出了一种基于H形缝隙耦合的毫米波方形切角圆极化微带天线单元,对影响其轴比特性的各参数进行了分析,并采用这种新型天线单元设计了4×4毫米波宽带圆极化微带天线阵列。仿真结果表明,该天线阵列阻抗带宽(S_(11)<-10dB)和轴比带宽(4R<3... 详细信息

提出了一种基于H形缝隙耦合的毫米波方形切角圆极化微带天线单元,对影响其轴比特性的各参数进行了分析,并采用这种新型天线单元设计了4×4毫米波宽带圆极化微带天线阵列。仿真结果表明,该天线阵列阻抗带宽(S_(11)圆极化微带天线阵列相比,分别提高9.7%和14.7%,天线阵列最大增益为19dB,在整个轴比带宽内,增益均大于15 dB,副瓣电平及交叉极化电平均较低。

关键词：宽带圆极化顺序旋转馈电微带天线阵列 H形缝隙耦合毫米波

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一种新型宽带圆极化微带反射阵天线设计

微波学报 2013年第1期29卷 84-87页

作者：赵明洋雷雪张广求尚济勇杨文君信息工程大学信息系统工程学院郑州450002

针对圆极化反射阵圆极化带宽窄的问题,结合微带天线的谐振特性和线极化反射阵展宽带宽的思想,提出了一种"工-环"形多谐振宽带网极化反射阵单元,通过研究单元的电流分布对其实现宽带圆极化的原理进行了分析。采用改变单元旋转角度的方法... 详细信息

针对圆极化反射阵圆极化带宽窄的问题,结合微带天线的谐振特性和线极化反射阵展宽带宽的思想,提出了一种"工-环"形多谐振宽带网极化反射阵单元,通过研究单元的电流分布对其实现宽带圆极化的原理进行了分析。采用改变单元旋转角度的方法设计了一副169个"工-环"形单元、中心频率为10GHz的右旋圆极化反射阵,并对其进行了测试:3dB轴比带宽达到41%(8.1GHz-12.2GHz),天线效率最高达59.94%(9.9GHz)。实测结果与仿真结果一致,实现了反射阵天线的宽带网极化和高效率。

关键词：反射阵宽带圆极化微带单元多谐振

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Ka波段宽带圆极化微带天线单元及阵列设计

弹箭与制导学报 2013年第2期33卷 129-132页

作者：胡志慧姜永华李娜凌祥海军航空工程学院 91917部队

设计了一种基于矩形缝隙耦合的Ka波段圆极化微带天线单元,分析了各参数对轴比特性的影响;为改善天线的轴比带宽和圆极化纯度,采用顺序旋转馈电技术,设计了4×4宽带圆极化微带天线阵列。仿真结果表明,该天线阵列具有良好的宽带特性,其阻... 详细信息

设计了一种基于矩形缝隙耦合的Ka波段圆极化微带天线单元,分析了各参数对轴比特性的影响;为改善天线的轴比带宽和圆极化纯度,采用顺序旋转馈电技术,设计了4×4宽带圆极化微带天线阵列。仿真结果表明,该天线阵列具有良好的宽带特性,其阻抗带宽(S11<-10dB)达25%(31.4～40.2GHz),轴比带宽(AR<3dB)达17%(31.8～37.8GHz)。

关键词：宽带圆极化顺序旋转馈电矩形缝隙耦合 Ka波段

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一种宽带线-圆极化转换反射阵单元设计

微波学报 2014年第2期30卷 37-41页

作者：雷雪陈国虎赵明洋张广求信息工程大学信息系统工程学院郑州450002

针对线-圆极化转换反射阵单元设计中存在的参数相关联、不易精确得到单元尺寸的设计难题,提出了基于独立、对称条件的设计方法,该方法将相移补偿特性分析和极化方式控制两者"去相关"独立研究,为线-圆极化转换反射阵整体设计和单元结构... 详细信息

针对线-圆极化转换反射阵单元设计中存在的参数相关联、不易精确得到单元尺寸的设计难题,提出了基于独立、对称条件的设计方法,该方法将相移补偿特性分析和极化方式控制两者"去相关"独立研究,为线-圆极化转换反射阵整体设计和单元结构构建提供了崭新的思路。采用此方法并结合双层堆叠十字振子结构设计并实现了宽带线/圆极化转换反射阵天线,其1dB增益带宽为24%,3dB轴比带宽为35%,口径效率最高为48.7%。

关键词：极化转换宽带圆极化反射阵天线

用于北斗的宽带圆极化天线与低噪放的设计研究

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用于北斗的宽带圆极化天线与低噪放的设计研究

作者：王拓西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着现代通信和卫星定位系统的飞速发展，无线系统对于射频前端的要求越来越高，而微带天线具有剖面低、结构简单、尺寸小等优点，已经成为卫星通信天线的一个重要分支，同时低噪声放大器也成为接收机前端必不可少的部分，它放大天线从... 详细信息

随着现代通信和卫星定位系统的飞速发展，无线系统对于射频前端的要求越来越高，而微带天线具有剖面低、结构简单、尺寸小等优点，已经成为卫星通信天线的一个重要分支，同时低噪声放大器也成为接收机前端必不可少的部分，它放大天线从空中接收到的微弱信号，减小噪声的干扰，为整个系统的性能打下坚实的基础。本文首先对双馈式微带天线的馈电网络进行优化设计，设计出了采用改进型谢夫曼90°移相器的宽带Wilkinson功分器，在1.08GHz-1.78GHz范围内两条支路的传输损耗都基本保持在0.6dB左右，输出相位差保持在90°±3°，其相对带宽达到48.95%，宽带效果明显;其次我们仿真出了一个双馈圆极化微带天线，并对其结构进行了变化，在其同轴馈电的上方加入电容片，并采用电容片与辐射贴片耦合进行馈电的方式，改善了其驻波比带宽窄的缺点;最后将宽带馈电网络与改进型天线进行结合，得到这款天线，其阻抗带宽可覆盖1.168GHz-1.776GHz，绝对带宽为608MHz，相对带宽为41.3%，其轴比在频率为1.240GHz-1.778GHz的范围内都小于3，绝对带宽达到538MHz，相对带宽达到35.65%;其增益大于3的带宽可达276MHz，覆盖1.276GHz-1.585GHz，相对带宽达到19.3%。同时我们还根据实际项目的需求，设计了一款北斗低噪声放大器，对设计过程进行了具体的分析，基于仿真分析的结果，设计了PCB版图，并进行加工调试，得到了在其频带范围内噪声系数小于1.5dB，增益大于45dB，输出1dB压缩点大于0dBm的一款低噪声放大器。在这之后我们还设计制作了一款双通道北斗低噪声放大器，基于之前的设计，我们将第一级放大电路改为芯片SPF5043Z来实现，最终得到了体积更小的北斗低噪声放大器。

关键词：宽带圆极化宽带馈电网络微带天线北斗导航系统低噪声放大器