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波束偏转超表面天线的研究与设计

波束偏转超表面天线的研究与设计

作者：宋晶电子科技大学

学位级别：硕士

随着无人驾驶技术、无人机技术及智能交通技术的发展,运动平台的防撞技术得到了学术界和工业界的广泛关注。典型的防撞技术包括微波雷达、激光雷达、光学视觉以及超声雷达等。毫米波防撞雷达凭借着高精度、小型化、低功耗以及全天时全... 详细信息

随着无人驾驶技术、无人机技术及智能交通技术的发展,运动平台的防撞技术得到了学术界和工业界的广泛关注。典型的防撞技术包括微波雷达、激光雷达、光学视觉以及超声雷达等。毫米波防撞雷达凭借着高精度、小型化、低功耗以及全天时全天候适应性等优点,成为了最有前途的防撞手段之一。毫米波防撞雷达主要由收发天线、射频前端电路和后端信号处理模块三部分组成。由于天线位于系统的最前端,负责电磁信号的发射和回波信号的接收,其指标是否优良关系到雷达整体性能的优劣。因此,本课题围绕无人机毫米波防撞雷达上的微带阵列天线和波束偏转技术进行深入的研究与设计。首先,对本文所研究的课题背景、意义以及国内外现状进行分析、总结和对比,在此基础上对毫米波微带天线及超材料的研究与设计方法进行系统的学习。根据天线设计理论,本文基于无人机防撞技术对毫米波雷达提出的指标要求,研究并设计了一种77GHz毫米波收发微带阵列天线。该天线由一个发射阵列和两个接收阵列组成,其中发射阵列由44个矩形辐射单元组成,发射增益31.21dBi、方向图中E面和H面3dB波束宽度分别为9.25°和9.34°、副瓣水平为-21.69dB和-20.47dB、驻波比低于2。由于该发射天线具有高增益、窄波束和低副瓣等特点,它可以很好地满足探测距离、角度分辨率及信噪比等系统指标对发射天线提出的要求。为了实现对方位角度的测量,该系统采用了两个接收天线,接收天线由12个辐射单元以二维阵列的形式组成,接收天线增益为16.46dBi、方向图中E面和H面3dB波束宽度分别为36°和13.98°。此外,在实际应用场景中,复杂的飞行环境对无人机侧向障碍物的探测也提出了要求。为了避免机架及旋翼对探测产生干扰,侧向防撞雷达也要求安装在无人机的前端。为了保证结构的紧凑性,本文设计了一种加载超表面材料的波束偏转天线,其由三层介质板组成,微带天线单元位于底层介质板上,上面两层介质板上均放置一个超材料单元。根据波束倾斜理论设计工作频率在W波段、带宽为75GHz-79GHz的超材料结构单元,利用电磁仿真对超材料结构进行优化,得到加载双层超表面材料的波束偏转天线。仿真结果表明,该微带天线可以实现48°的波束偏转,且增益较未加载超表面材料时提高了34.6%。

关键词：无人机毫米波防撞雷达微带阵列天线波束偏转超表面

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参量阵电控波束偏转方法研究与实验测试

应用声学 2016年第3期35卷 239-247页

作者：张富东徐利梅陈敏李学生电子科技大学航空航天学院成都611731

为了使参量阵获得更快的波束转动能力,提出了一种基于相控阵技术的电控波束偏转方法。该方法通过同步改变原波波束的空间分布,间接实现了参量阵差频波束的电控偏转。通过仿真发现,较低的原波频率、较大的原波频率差异、较小的阵元间距... 详细信息

为了使参量阵获得更快的波束转动能力,提出了一种基于相控阵技术的电控波束偏转方法。该方法通过同步改变原波波束的空间分布,间接实现了参量阵差频波束的电控偏转。通过仿真发现,较低的原波频率、较大的原波频率差异、较小的阵元间距和原波波长比值d/λ,是在波束偏转时减小差频波主瓣宽度和栅瓣强度的有利条件。随后采用所提方法,对频率为2 kHz的差频波,完成了偏转角为5°、10°与20°时的波束偏转实验。实验生成的差频波主瓣分布在预设方向,栅瓣同时也得到了有效的抑制,达到了波束偏转的目的。

关键词：参量阵波束偏转原波差频波

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卡式天线波束偏转方法研究

微波学报 2019年第S1期 29-31页

作者：徐发顺吴竞锋王龙钱嵩松南京理工大学电光学院探测与控制工程系

本文针对卡式天线的波束偏转方法进行研究,分析对比了馈源、副面的偏转或平移三种方式对主波束偏转的影响。结合工程实际需求,选择副面旋转偏轴的设计方案,完成了一种工作频率在94GHz的卡塞格伦天线设计与制作,该天线副面以馈源相位中... 详细信息

本文针对卡式天线的波束偏转方法进行研究,分析对比了馈源、副面的偏转或平移三种方式对主波束偏转的影响。结合工程实际需求,选择副面旋转偏轴的设计方案,完成了一种工作频率在94GHz的卡塞格伦天线设计与制作,该天线副面以馈源相位中心为原点旋转7.15°,实测结果表明,主波束偏转5.8°,增益达到36.5dBi。

关键词：卡塞格伦天线馈源偏焦副面偏转波束偏转

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基于超表面的波束偏转与极化转换研究

基于超表面的波束偏转与极化转换研究

作者：贾时雨西安电子科技大学

学位级别：硕士

无线通信技术不断迭代发展,天线是不可或缺、至关重要的组成部分,直接关系到信息收发的成功与否、稳定与否、高效与否。电磁波束的极化类型与波束指向逐渐成为行业研究的热点。传统的思路是从天线自身的原理出发,往往具有局限性。无论... 详细信息

无线通信技术不断迭代发展,天线是不可或缺、至关重要的组成部分,直接关系到信息收发的成功与否、稳定与否、高效与否。电磁波束的极化类型与波束指向逐渐成为行业研究的热点。传统的思路是从天线自身的原理出发,往往具有局限性。无论是正交模式的调制,还是相位调配网络的设置,都在不断加剧圆极化天线与波束偏转天线的工作量与复杂度。电磁超表面的出现,给出了天线设计的新思路,即从天线之外的层级寻求优化的可能。低剖面、结构简单、易加工、装配方便等天生优势促进超表面一开始就成为行业的焦点,可以轻松实现线-圆极化转换、交叉极化变换、波束偏转、波束汇聚等功能。本文基于超表面主要研究了极化转换与波束偏转效果,并联合单线极化天线与超表面进行了仿真测试。主要的工作如下:1、单线极化偶极子天线的研究与设计。单元结构采用方形贴片偶极子,距其下方四分之一波长处放置金属地板。馈电采用同轴线馈电并用同外径金属导体进行巴伦平衡。在边长为50mm的地板下,3.34～5.28GHz频带内的驻波比均约在2及以下,4.5GHz处增益约为7.07d B。根据联合仿真需求,进行了地板边长分别为75mm、120mm的仿真分析。最后对地板边长为75mm的天线进行了加工与测试,且结果与仿真基本吻合。2、极化转换超表面以及天面联仿研究与设计。首先设计了中字形、圆片单缝、最终型等单元结构。利用开单缝、中间层挖孔、金属窄条、对称金属化过孔耦合结构,使得最终型单元在2.92～6.19GHz的轴比均约在3d B及以下,相对带宽约72%;2.90～6.04GHz的总透射比均约在-3d B及以上,相对带宽约70%。将单元按照8×8排布组阵,并与线极化天线进行联合仿真,使原天线工作带宽的约69%实现了线-圆极化转换。另外,最终型结构单元经过参数调整可以实现约84%的3d B轴比相对带宽。最后对超表面与天线进行了加工与实测,且结果与仿真基本吻合。3、波束偏转超表面以及天面联仿研究与设计。首先设计了直接型、双缝型、最终2-3-4型单元结构。利用双开缝、双层圆孔耦合、三层主辐射片耦合、对称短路金属化过孔等结构,使得2-3-4型自旋转90°便可产生180°相位突变的效果。3.85～5.20GHz的相位差稳定在约163～217°左右,其中频带的约81%的相差浮动在163～195°。在3.82～5.43GHz内的传输幅度,均约在0.70及以上,其中约83%的频段内,幅度值均约在0.88及以上。为探究最佳的超表面排布,先后进行了x、y周期排布的影响分析与8421法排布分析。最终选定了284-0010排布法,天面联合仿真得到,小于等于2的驻波比频带从3.27～5.28GHz扩展到3.00～5.27GHz。基本实现了宽频带内-41°～-45°的波束偏转,在4.02～4.66GHz、4.93～5.10GHz频带内,-45°的增益均大于或近似等于单独天线在0°的增益。

关键词：超表面极化转换波束偏转圆极化偶极子

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基于超表面的太赫兹波束偏转器的设计及研究

基于超表面的太赫兹波束偏转器的设计及研究

作者：巴朗旭哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

太赫兹波段的通讯或雷达技术将会成为未来6G技术的主导,而太赫兹波束偏转器(扫描器)是太赫兹雷达中的核心器件,尤其是透射式偏转器,相比于反射式偏转器有着更广泛的应用前景。目前由于透射式偏转器相比于反射式而言损耗更大,需要考虑基... 详细信息

太赫兹波段的通讯或雷达技术将会成为未来6G技术的主导,而太赫兹波束偏转器(扫描器)是太赫兹雷达中的核心器件,尤其是透射式偏转器,相比于反射式偏转器有着更广泛的应用前景。目前由于透射式偏转器相比于反射式而言损耗更大,需要考虑基底材料,导致在太赫兹波段对透射式波偏转器研究的量要远远少于反射式的。而且目前已有的太赫兹波束偏转器相比于其它波段的偏转器,偏转效率明显偏低,且能够实现可调控功能的太赫兹偏转器较少。超材料非常适合作为太赫兹波段的波束偏转器件的核心,因为其对光波操纵的自由度相对于自然材料而言更大,尤其是二维的超材料(超表面),其更易制备,损耗更低。本课题旨在设计一种工作频带宽、偏转角度稳定、损耗低、容易生产且实用价值高的基于超表面的透射式太赫兹波束偏转器,并对移相单元性能与偏转器可控性进行探究。首先,移相单元作为相位梯度超表面中最基本的结构单元,其所能实现的功能可以直接决定整个偏转器的功能。首先设计移相单元的结构,要求移相单元中的共振器具有的功能为可以通过改变共振器参数进而改变共振器产生的散射波传播相位,之后对移相单元进行仿真分析,所设计的移相单元能够在x轴方向线偏振波垂直入射时散射出y轴方向偏振方向的偏振波,并且可以通过改变共振器结构的参数对三种共振模式的强度进行调节从而改变散射出的y偏振波的传播相位。其次,以电磁波的次波源理论以及广义斯涅耳定律为理论基础,利用设计出的移相单元结构构建出梯度移相阵列,并且通过理论计算算出在x线偏振波垂直入射到梯度移相阵列上时偏转器散射出的y偏振透射波能够实现的偏转角度,之后通过仿真以及实验表征两种方式去验证理论计算的结果正确性。最后通过仿真测试出我们所设计的偏转器的实际工作频率带宽。最后,研究移相单元排布方式对偏转器功能的改变,先是通过改变梯度移相单元的排布方式对偏转波的振幅起到了很好的调控效果,接着涡旋排布移相单元成功地构建了一阶右旋涡旋太赫兹相位板。在偏转器中引入了二氧化钒薄膜,探究了通过改变温度对于偏转波振幅可以起到的调控效果,且不会影响偏转角度,并设计了基于二氧化钒和金结合双正方形环共振器,并基于此设计出了温控实现偏转角度可切换的具有开关效应的太赫兹波偏转器。

关键词：太赫兹波前调控波束偏转超表面相位控制

基于人工电磁材料的宽带高增益天线设计以及波束偏转实现

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基于人工电磁材料的宽带高增益天线设计以及波束偏转实现

作者：曾天民上海交通大学

学位级别：硕士

人工电磁材料是近10年来电磁领域的研究重点,其中发展起来的超材料和超表面对传统天线的性能有显著的提升。本论文主要围绕便携式宽带高增益天线的设计和波束偏转以及波束扫描的实现两大主题展开。传统的高增益天线如微带阵列天线、口... 详细信息

人工电磁材料是近10年来电磁领域的研究重点,其中发展起来的超材料和超表面对传统天线的性能有显著的提升。本论文主要围绕便携式宽带高增益天线的设计和波束偏转以及波束扫描的实现两大主题展开。传统的高增益天线如微带阵列天线、口径天线,虽然能实现很高的增益,但体积庞大,带宽不宽。而传统的宽带天线如L型探针馈电微带天线、微带开槽天线虽然能实现很宽的带宽但增益较低,方向图宽带内不稳地,有时主瓣方向还会发生偏转。而本文设计的工作在10GHz的基于零折射率超材料的宽带微带天线,不仅能够实现19.5%的相对带宽,而且在宽带内方向图相当稳定,最终平均增益达到11dB。另一方面,对于波束偏转和波束扫描的技术来说,传统上主要有两种,第一代是抛物面天线,广泛应用于微波频段的卫星通信,它是由抛物面反射器和位于其焦点处的馈源组成,通过机械地旋转抛物面反射器来实现波束扫描,但抛物面一般采用金属材质,所以机械旋转功耗比较大,而且扫描速度也比较慢。第二代是有源相控阵天线,有源相控阵雷达采用数量众多的发射/接收模块,每一个辐射器都有一个发射/接收模块,这使得有源相控阵天线造价昂贵,工程化难度加大。为了解决上面难题,本文利用惠更斯超表面的原理,仿真实现了一个能够实现30偏转的高透射的超材料天线罩,并对电可调的惠更斯面单元进行了研究。

关键词：人工电磁材料宽带高增益波束偏转惠更斯面零折射率

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多频带印刷天线设计及缝隙天线波束偏转研究

多频带印刷天线设计及缝隙天线波束偏转研究

作者：徐芸西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线通信系统的发展和广泛应用，现代雷达、电子对抗和信息技术产业快速升级，各种电子设备不断更新换代。在这种形势下，作为现代无线通信系统必不可少的关键部件，天线性能的优劣直接决定着系统的通信质量，因此系统对天线的多频... 详细信息

随着无线通信系统的发展和广泛应用，现代雷达、电子对抗和信息技术产业快速升级，各种电子设备不断更新换代。在这种形势下，作为现代无线通信系统必不可少的关键部件，天线性能的优劣直接决定着系统的通信质量，因此系统对天线的多频段、小型化、超宽带等特性提出了越来越高的要求。平面印刷天线由于具有低剖面、易于制造、低成本等优点，逐渐成为一种重要的天线类型和研究对象。在保持天线原有结构特点的基础上，对其进行波束偏转方面的深入研究将会拓宽原天线的应用范围。本文的工作围绕多频段印刷天线设计和缝隙天线的波束偏转展开，论文的主要研究内容可以概括为以下几个方面： 1．分别采用“G”形和“S”形折线结构，设计了两种多频带印刷单极子天线，两者均采用共面波导方式馈电，产生三个独立的谐振频段，符合WLAN和WiMAX通信系统标准。研究了天线表面电流分布图，通过天线参数分析，进一步研究了实现多频段特性的折线结构的长度和位置对天线性能的影响。根据最后优化结果，制作了两种天线的实验模型，天线的反射系数和辐射方向图的实测曲线与仿真曲线基本吻合，表明“G”形和“S”形多频段单极子天线整体性能良好。 2．设计了一种工作在WLAN和WiMAX频段的多频带“L”形开槽天线，与馈电连接的非对称辐射贴片产生高频谐振，地板上的“L”形开槽产生其他谐振频段。通过天线表面电流分布图和参数分析研究该天线是如何通过非对称结构辐射单元和地板上的“L”形开槽实现其多频带特性的。对此天线进行了加工和测试，测试结果与仿真结果一致性较好，天线整体性能良好。 3．针对选定结构的缝隙天线的波束偏转问题展开研究。仿真结果表明，通过梳齿状结构改变电流路径以及在预期的目标方向添加引向结构能成功实现缝隙天线的波束偏转。根据仿真设计结果，制作了波束偏转的缝隙天线实物，实测与仿真结果吻合，该天线在保持原有多频段特性及工作频带的情况下，辐射方向图主波瓣方向偏转90度，垂直于原天线模型的主波瓣方向。

关键词：多频带印刷天线缝隙天线波束偏转

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一种Ka波段波束偏转阵列天线设计

一种Ka波段波束偏转阵列天线设计

基于共形阵列天线的轨道角动量涡旋电磁波产生及其波束偏转技术研究

2021年全国天线年会

作者：白明涛李力臧洪明李凡娟赵海明北京华航无线电测量研究所

本文设计了一种工作在K a波段的大偏转角阵列天线。该天线采用一种紧凑结构的"V"字形单元,利用非谐振型缝隙天线设计原理,通过Matlab软件对阵列进行数值分析,利用HFSS软件对阵列特性进行仿真验证,并对样件进行了生产测试。结果表明,该... 详细信息

本文设计了一种工作在K a波段的大偏转角阵列天线。该天线采用一种紧凑结构的"V"字形单元,利用非谐振型缝隙天线设计原理,通过Matlab软件对阵列进行数值分析,利用HFSS软件对阵列特性进行仿真验证,并对样件进行了生产测试。结果表明,该天线在2 GHz带宽内具有与阵面法向夹角大于40°以上的稳定波束偏转,仿真与实测结果吻合,证明了该设计方法对于引信类产品的设计和应用具有指导意义。

关键词： Ka波段波束偏转阵列天线

来源： cnki会议评论

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基于共形阵列天线的轨道角动量涡旋电磁波产生及其波束偏转技术研...