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基于FSS的宽带圆极化器和微带反射阵天线的研究与设计

基于FSS的宽带圆极化器和微带反射阵天线的研究与设计

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作者：苟仲荣西安电子科技大学

学位级别：硕士

圆极化波在现代雷达和卫星通信系统中有着非常重要的应用。一方面,圆极化波能够克服多径效应,另一方面,圆极化波较之于线极化波提供更优质的传播特性。由于微波器件大多产生线极化波,因此设计圆极化器实现线圆转化是非常重要的研究课题... 详细信息

圆极化波在现代雷达和卫星通信系统中有着非常重要的应用。一方面,圆极化波能够克服多径效应,另一方面,圆极化波较之于线极化波提供更优质的传播特性。由于微波器件大多产生线极化波,因此设计圆极化器实现线圆转化是非常重要的研究课题。基于FSS的宽带圆极化器结构简洁,便于加工调测,易于加载其他线极化天线,具有很大的应用优势。随着高频雷达系统和远距离通信的发展,高增益天线就变为必需。传统的实现方法有抛物面或者相控阵天线,抛物面天线又重又大而且由于其曲面结构加工难度大,而相控阵雷达可以实现宽角度的扫描波束,但是其成本高,损耗大。因此基于FSS的微带反射阵天线可以有效弥补这些缺点,具有低剖面、质量轻、且方向图可重构等优势,具有潜在的工程应用前景。为此,本文通过综述FSS的应用研究,设计了X波段的基于FSS的宽带圆极化器和极化选择器,同样还设计了一款X波段基于FSS的微带反射阵天线。本文具体的研究内容简介如下:1.设计完成了一款基于双层FSS的宽带圆极化器。该结构单元由S型半圆环金属带和两个圆形贴片组成,通过优化阵列单元尺寸,得到一个X波段的宽带圆极化器。在9GHz-11.5GHz范围内轴比小于3dB,工作带宽超过2GHz,同时两个正交极化分量TE极化和TM极化透射系数均大于0.8,传输频带随入射角的变化小。为了验证该圆极化器的性能,设计加工了一个20×20单元的阵列,通过在暗室测试,结果显示在9.5GHz-11.5GHz频带内轴比均小于3dB,且两个正交的极化分量透射系数大于0.78,由此设计得到一个X波段的结构简洁的宽带圆极化器。2.设计完成了一款多层FSS级联的极化选择结构,该结构由两个圆极化器和一个线极化器级联组装,能够透射LHCPW而反射RHCPW。通过实物加工、组装和测试,设计的极化选择结构在9.2GHz-11.2GHz频段,RHCPW传输系数小于-20dB而使LHCPW传输系数大于-2.5dB,实现了良好的极化选择功能,研究具有极化选择特性的FSS对提高天线抗干扰性能和探测能力具有重要意义。3.设计完成了一款基于FSS的微带反射阵天线。该反射阵的“灯笼”型单元是双谐振环结构,通过尺寸变化来获取所需的相移量。通过单元组阵后实现10GHz的微带反射阵列,馈源采用标准锥形喇叭天线和正反渐变槽天线,进行仿真设计,既实现波束聚焦也大幅提高了增益。经过加工实测,本文设计的微带反射阵天线能够实现X波段的波束聚焦功能,也展示了反射阵的整体设计过程。本文设计的圆极化器和微带反射阵天线都是基于FSS单元的,设计过程均采用HFSS的floquet端口,实测证明,该解决方案的仿真设计是比较准确又简洁的。

关键词： FSS floquet端口圆极化器极化选择器微带反射阵天线

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可重构频率选择表面应用研究

可重构频率选择表面应用研究

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作者：查华西安电子科技大学

学位级别：硕士

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是介质基板上的金属贴片或者槽按照特定规律排列的特定结构,一直都是国内外专家研究的热点。目前,FSS已经被广泛应用在移动通信,卫星导航通信,偏振器,空间滤波器,吸收体等方面。因其加工... 详细信息

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是介质基板上的金属贴片或者槽按照特定规律排列的特定结构,一直都是国内外专家研究的热点。目前,FSS已经被广泛应用在移动通信,卫星导航通信,偏振器,空间滤波器,吸收体等方面。因其加工方便简单,且容易加载天线,因此在可重构天线中被广泛应用,例如可实现频率可重构,极化可重构,方向图可重构天线等。另外,在微带反射阵中,FSS也有着巨大的应用前景,因为其可以克服抛物面天线曲面结构以及有效降低相控阵天线的成本,且具有低剖面,低损耗,体积小,高增益等特点。本文先简要回顾了FSS的基础理论和其相关应用,设计了X波段基于FSS的极化可重构天线和十字花瓣型微带反射阵天线,同时还设计了一款X波段的加载电容二极管的频率可重构微带反射阵天线。本文具体的研究内容如下:首先,本文设计了一款X波段基于FSS的极化可重构天线。该天线由基于FSS的极化器结构和一个2?2的微带阵列天线组成,工作在10GHz。FSS极化器上COS型的金属贴片排布方向与微带阵列天线之间存在一个角度,旋转这个角度(0,45,90,135),可实现天线极化的实时切换。具体来说,随着角度改变,天线可以在线极化,左旋圆极化,和右旋圆极化进行切换。为了验证该极化可重构天线的性能,本文加工了该款天线,FSS极化器与微带阵列天线分别加工在半径为30mm的圆形介质基板上,连接处通过尼龙螺钉固定。通过在暗室中测试,结果显示其旋转角度在0与90时天线是线极化,在45与135时,轴比小于3dB,表现为圆极化,极化可重构天线性能良好,符合设计原理。其次,本文设计了一款X波段的十字花瓣型微带反射阵天线。该反射阵单元结构是一个十字环里嵌套花瓣型十字。为了满足微带反射阵所需的相移量,本文通过改变嵌套十字单元的尺寸来实现相移量的覆盖。通过对阵列相位分布的分析,以及反射阵中每个单元上所需要的相位补偿,分别设计了9?9(28)81和15?15(28)225的阵列。文中详细阐述了阵列的设计过程,并分析了阵列大小对微带反射阵的影响。微带反射阵采用喇叭天线和Vivaldi天线作为馈源,采用正馈的方式,对不同馈源的阵列通过Ansoft HFSS设计仿真,结果显示,天线增益得到大幅度提高,实现在X波段的波束聚焦功能,性能良好。最后,在反射阵的基础上,本文设计了一款X波段的基于FSS的频率可重构的微带反射阵。该反射阵的单元结构是双矩形环,内环开圆形槽,两个环使用电容相连接,中间部分是四个PIN二极管。通过四个PIN二极管的通断状态形成两个工作状态,使其可以工作在9GHz和12.22GHz频率下。在此基础上,采用Vivaldi天线作为馈源,组成9?9的微带阵列,在HFSS中设计仿真,结果显示两个工作状态下微带反射阵天线正好谐振在9GHz和12.22GHz频率处,很好的实现了频率可重构。本文设计的结构都是基于FSS的应用,仿真软件中采用floquet端口来模拟周期性结构,并在此基础上实现了基于FSS的极化可重构与频率可重构,验证了FSS在可重构天线中有巨大的应用前景。

关键词： FSS floquet端口极化可重构频率可重构微带反射阵天线

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基于相控单元特性提取的毫米波编码电磁表面研究

基于相控单元特性提取的毫米波编码电磁表面研究

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作者：王舜电子科技大学

学位级别：硕士

随着近些年5G技术的逐步完善,人们越来越依赖无线通信技术带给大家的便利,与此同时也对电磁波的调控提出了更高的要求。可重构超表面由于其具有增加覆盖范围和信号强度、降低通信功耗和成本、提高系统容量和性能、增强安全性和隐私保护... 详细信息

随着近些年5G技术的逐步完善,人们越来越依赖无线通信技术带给大家的便利,与此同时也对电磁波的调控提出了更高的要求。可重构超表面由于其具有增加覆盖范围和信号强度、降低通信功耗和成本、提高系统容量和性能、增强安全性和隐私保护、支持多场景应用等优势,将在未来通信系统的建设和应用中发挥重要作用。透射超表面具有高度可控性、大范围波段控制能力、高透过率和低损耗、可重构性和超薄、轻质化等特点,这些特点使得透射超表面在电磁波控制和调节方面具有广泛的应用前景。本文从动态可重构超表面单元的单元特性分析入手,研究了PIN二极管的等效参数,最后设计了一种基于PIN二极管的1bit可重构透射超表面。基于PB相位原理通过设计两个反向二极管构建对称可调的谐振电流分布,实现在全频段范围内等相移的高效相位调控。本文的主要工作如下:利用波导模拟器法和floquet端口法分别对静态单元和动态单元进行了仿真模拟,其中对动态单元进行模拟时为了方便在波导测试结构中对加载在顶层金属上的PIN二极管进行馈电,采用将馈电线埋在中间介质层,并通过金属化过孔来连接馈电线和顶层金属。分析了单元在这两种电磁仿真方法下的幅相特性,验证了在波导模式中某一特定入射角的情况可以和在floquet端口下是等效的,对于静态单元来说,谐振点在100GHz附近,利用公式2-1可以计算出该频点下WR10波导对应的入射角应该是36°,通过在floquet端口下设置入射角36°可以很好的模拟单元在波导下的幅相特性。对于加载PIN二极管的动态单元来说,当二极管导通的时候可以计算出入射角为35°,对于加载肖特基二极管的动态单元来说,当二极管导通时可以计算出入射角为36°。在floquet端口下仿真和波导模拟器中仿真结果几乎一致。通过实验验证了静态单元和加载PIN二极管的动态单元在波导模拟器中的测试结果和在实际波导中测试的结果趋势一致。设计了一种1bit可重构透射式超表面,通过控制加载在金属贴片上两个PIN二极管的电压,使这两个二极管工作在不同的状态从而形成反向电流,使得这种超表面的相位调制具有完美的180°相移差,而且相移差不随工作频率变化,同时超表面单元的对称结构使得两种状态的传输系数大小完全相等。透射系数S21在99.6GHz时达到了最大值-3.04d B。该透射式超表面阵列可以在毫米波频段实现角度-58.4°～-6.7°和角度6.7°～58.4°范围内的双波束连续性灵活控制,通过采用分数化编码和卷积编码实现了多波束的重构。

关键词：波导模拟器 floquet端口二极管透射超表面

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