基于共享孔径技术的低RCS电磁超构表面天线设计

提出一种基于共享孔径技术设计低雷达散射截面(radar cross section,RCS)电磁超构表面天线的新方法.该方法首先设计具有低RCS性能的超构表面,然后借鉴共享孔径技术思想,将超构表面和传统天线的辐射结构直接共享口径紧密排列,得到新型低RCS天线结构,并结合电流分析和局部结构修正,优化天线的辐射性能,最终同时实现天线的良好辐射和宽带低RCS性能.为了阐明该方法,基于极化旋转机理设计了一款低RCS超构表面,采用共享孔径思想和电流分析,得到了一款宽带低RCS超构表面天线,详细分析了该天线的工作机理与性能.结果表明:设计的天线在保证较好辐射的同时,实现了超宽带RCS减缩,提出的设计方法摒弃了从天线到低RCS天线的传统设计思路,通过逆向思维,将散射的优化问题转化为辐射的优化问题,不仅实现了天线与超构表面的一体化设计,还显著地降低了低RCS天线优化设计的难度,加速了天线优化进程.

基于改进粒子群算法的标签天线结构参数多目标优化设计

为了解决天线设计人员应用电磁仿真软件优化天线结构时存在的优化方向不明确和优化速度慢的问题,文中以干式水表的嵌入式射频识别标签天线设计为例,提出了基于改进粒子群算法的标签天线结构参数多目标寻优方法。首先,根据干式水表产品追溯需求,提出了中心频点尽可能接近理想中心频点、回波损耗尽可能低、带宽尽可能宽、面积尽可能小的四个目标函数。其次,为避免粒子群算法陷入局部最优,采用多维均匀拉丁超立方初始化、Logistic混沌映射非线性变化惯性权重、网格划分变化学习因子、高斯扰动策略等方法对算法进行改进,并应用于标签天线结构参数多目标优化中。最后,进行了实例验证。验证结果表明:利用改进后的粒子群算法得到的标签天线结构参数优化结果可更大程度满足优化目标需求,优化耗时仅为电磁仿真软件的40.1%。

结构因素对遥感天线跟踪精度影响分析及对策

在遥感地面站天线设备中,跟踪精度是伺服控制系统的关键技术指标。重点分析影响跟踪精度的机械结构谐振频率、摩擦两个结构因素,给出了影响因素与天线跟踪误差之间的理论关系:天线机械结构谐振频率主要影响伺服动态滞后误差和高仰角跟踪性能;摩擦力矩主要影响跟踪随机误差和伺服低速跟踪平稳性能。给出了改善低速平稳性能的解决措施;提出了一种数字复合控制融合新型结构滤波器(数字凹口滤波器+一阶惯性环节)的动态跟踪控制方法,解决了窄波束天线机械结构谐振频率较低影响伺服跟踪性能的问题。测试结果表明,天线最低平稳运行速度达0.005 (°)/s,速度误差优于10%;天线加速度在0.393 (°)/s^(2)时,方位动态跟踪均方根误差优于0.006 2°。遥感地面站天线设计方法实用有效,为今后同类天线伺服控制系统设计提供了理论依据。

卫星导航终端小型化开口缝隙螺旋天线

研究了一种小型化卫星导航终端开口缝隙螺旋天线。天线主体为四条宽度渐变的开口缝隙螺旋臂,蚀刻在外表面覆铜的介质基板围成的方型结构上,由印制于介质基板内表面的微带线结构馈电网络进行耦合馈电;馈电网络由底面回形结构和侧面逐渐向上变宽的折形结构组成,使用同轴线接头在天线底部对其馈电。天线总体尺寸为26 mm×26 mm×29 mm,实测结果表明:|S_(11)|≤-10 dB的阻抗带宽为7.88%(1.523 GHz~1.648 GHz),轴比≤3 dB的圆极化带宽为20.26%(1.490 GHz~1.826 GHz),在北斗B1频段中心频率(1.561 GHz)、GPS L1频段中心频率(1.575 GHz)和GLONASS L1频段中心频率(1.602 GHz)处增益分别达到3.33 dBi、3.18 dBi和2.79 dBi。该天线采用开口缝隙螺旋结构,通过简单的馈电网络串行耦合馈电实现天线的圆极化,在较小尺寸情况下实现了较宽的带宽和较好的增益。

基于载体环境的宽带微带天线设计与分析

为确保航天环境下载体内的微带天线性能满足通信系统要求,采用多层和多模技术设计了单开槽WiFi频段的宽带微带天线,重点对载体及环境因素下宽带微带天线的性能进行仿真验证,同时分析了对天线性能的影响,并采用迭代补偿方法进行了性能修正。仿真分析结果表明:提出的迭代补偿方法对微带天线性能可以进行有效的校正;实物验证结果表明:载体内的微带天线性能稳定,满足工作频带要求。

基于石墨烯片的频率可调太赫兹天线

本文设计了一种基于石墨烯片的频率可调太赫兹天线,采用了折叠缝隙结构并使用共面波导馈电方式,以更好地实现阻抗匹配.通过调控在缝隙之间添加的4个石墨烯片的电导率,改变缝隙天线的等效长度,使天线在两种不同工作模式下的谐振频率分别为230.5 GHz和270.5 GHz.除此之外,在天线下方加载了方形封闭谐振环(Closed-Ring Resonator,CRR)构成的超表面,并使其谐振频率与天线的谐振频率匹配,将z轴负方向的辐射进行反射,使天线在两种工作模式下的增益提高至5.41 dBi和7.63 dBi,与无反射结构时相比分别增长2.48 dBi和3.55 dBi.

双陷波可重构特性的蓝牙超宽带天线设计

提出了一种具有双陷波可重构特性的蓝牙/超宽带(UWB)天线。天线由削顶圆形单极子天线加载1/4波长圆弧枝节组成。在圆形贴片上刻蚀2个半波长圆形缝隙,实现WLAN(5.125~5.825 GHz)和ITU(8.025~8.4 GHz)频段的陷波功能。通过控制安装在陷波结构中PIN二极管的工作状态,能够实现陷波的可重构特性。测试与仿真结果表明:在天线工作频段2.39~2.52 GHz和2.92~12 GHz内,天线辐射性能良好,峰值增益达到5.2 dBi。可广泛应用在各种通信系统。

基于特征模理论分析的超宽带小型化准八木天线设计

文中设计了一款超宽带准八木天线。根据特征模理论对传统的准八木天线进行分析,并结合天线理论,在不改变天线原有尺寸的情况下,通过采用弯折、切槽等技术,增大了电流路径,拓宽了低频的工作带宽。天线尺寸为0.256λ_(0)×0.256λ_(0)×0.002λ_(0)(λ_(0)为最小工作频率所对应的波长),工作带宽为0.78 GHz~1.58 GHz。与初始天线相比,相对带宽从32.0%提高至67.8%。通过前后比可以看出,天线具有良好的定向性能,可以满足人脑探测活动的需求。

基于PCM的圆极化贴片天线辐射和散射性能一体化设计

针对贴片天线现有设计存在的辐射性能不足及未考虑散射性能的现状,提出了采用极化转换超表面(PCM)改善辐射性能及提升散射性能的一体化设计.通过在偏置馈电方形切角贴片天线周围布局顺序旋转超表面单元并改变排布方式,有效地改善了辐射性能及提升了散射性能.仿真结果表明,最优化布局超表面天线实现了3 dB轴比带宽为5.02~5.39GHz,峰值增益为9.50 dB;相比初始天线,增益平均提升了4.78 dB,工作带宽实现了平均增益8.76 dB与-13.81 dBsm的低RCS;通过改变顺序旋转布局方式,实现了RCS最大缩减量为22.36 dB,比初始布局提高了8.67 dB.通过特征模分析法及散射原理分析验证了本文设计的天线具有良好的辐射和散射性能,该天线有望提升雷达天线隐身与辐射性能.

小型化双极化TEM喇叭天线设计

利用低频补偿技术,即通过加载感性结构的方式,降低TEM喇叭天线低频容性电抗影响,设计了一款小型化双极化TEM喇叭天线。以单极化的指数渐变极板结构的TEM喇叭天线为基础,通过90°交叉放置两支天线,实现双极化设计。为了实现低频带宽的拓展,在主辐射结构的下方引入了匹配带条结构,在其上方加载了脊结构,同时主辐射结构末端均做了垂直延伸处理。矩形反射板采用了在四周加载挡板的设计,并在挡板上引入了椭圆形凹槽。利用3D打印技术,对所设计的TEM喇叭天线进行了加工验证。仿真和测试结果表明,天线实现了12.1个倍频的工作带宽(VSWR<2,0.72~8.72GHz)。天线电尺寸仅为0.26λ×0.26λ×0.16λ(λ为天线工作频段低端波长),在尺寸方面小于传统的半波长TEM喇叭天线,有着较好的定向辐射性能。

基于缺陷地和开口谐振环的三频段小型化天线

提出了一种新型三频段工作的小型微带贴片天线,天线采用不对称结构,在接地板上引入缺陷地结构(DGS)改变了天线表面电流分布,改善工作频率,衍生在无线局域网(WLAN)(2.4 GHz)处的频带。加载开口谐振环(SRR)金属环结构在独立控制WLAN(5.8 GHz)的频带的同时,减小了12%的天线体积。天线结构紧凑,整体尺寸为12.5 mm×28.5 mm×1.5 mm。结果表明,天线覆盖3个独立的阻抗带宽,分别为800 MHz(1.96~2.76 GHz),200 MHz(5.65~5.85 GHz)和1 460 MHz(7.64~9.1 GHz),在频段内的回波损耗均小于-10 dB,具有良好的方向性和增益,支持WLAN(5.8/2.4 GHz)频段和国际电信联盟(ITU)(8.0~8.7 GHz)频段的应用。

非规则子阵阵列天线仿真与性能分析

文中设计了一种超宽带Vivaldi天线,并对其组成的16×16阵列按照划分设计的最优子阵方案进行仿真。通过均匀加权与低副瓣加权对天线阵列进行了波束偏转分析,从不同频点和偏转角度对波束扫描进行了分析,并仿真分析了天线的差波束及赋形波束,结果良好;同时对子阵级别的扰动进行了敏感度分析,发现在不同相位干扰下,干扰范围越大相位干扰对主瓣波束影响越大,主瓣增益降低和副瓣电平升高越明显,幅度干扰和幅相干扰也有同样结论。实际非规则子阵阵列天线在应用时,子阵级的相位误差在一定范围内对天线的影响不大,幅度误差对天线的整体影响也不大,即子阵级干扰对非规则子阵阵列天线扫描角度的影响不大,但对主波束的影响随干扰范围的增大而增大。本文的仿真分析可为非规则子阵阵列天线的设计和加工提供参考,丰富和拓展非规则子阵阵列天线设计仿真和性能分析领域,节省实际加工和应用的成本。

一种使用高次模式阻抗匹配的三频频率可重构天线设计

传统的频率可重构天线多采用电控可变元件构造馈电网络,导致设计和加工复杂。此外,电子元件的使用降低了辐射效率,使得性能不稳定。本文提出了一种采用高次模式进行阻抗匹配的机械调谐频率可重构天线。为使用固定的馈电网络进行阻抗匹配,并且不添加任何电控可变元件,该天线在两个低频频段工作于三次模以增加输入阻抗。这一设计增加了性能的稳定性,提高了辐射效率,减少了天线设计和加工的复杂度,降低了成本。天线在2.6 GHz、3.5 GHz和4.9 GHz三个5G应用波段取得了良好的谐振,辐射效率基本达到90%。

小型化八边形基片集成波导背腔缝隙天线

提出一款新颖的W波段八边形基片集成波导(SIW)背腔缝隙天线。相较传统的缝隙天线,具有体积小、易加工、Q值高、成本低等优点,且易于成阵。通过调节天线背腔缝隙的长度、宽度,以及SIW腔体的尺寸优化天线的辐射特性,通过电磁仿真软件HFSS对模型进行仿真优化,确定了天线的最优结构。仿真实验结果表明,所设计的天线相对带宽约4.5%,方向性优良,中心频率点谐振深度<-31 dB,天线最大增益达到5 dBi,满足设计要求,验证了设计的正确性。所设计的SIW背腔缝隙天线拓宽了数字通信的可用频谱,是一种新的尝试,可为以后的研究提供新的参考思路。

基于非均匀超表面的带宽和增益改善型缝隙天线设计

针对贴片天线普遍存在带宽及增益性能不足的问题,提出了一种通过非均匀超表面实现的带宽和增益改善型天线.首先,采用带有切角的缝隙贴片作为初始天线;然后,为进一步增强辐射特性,围绕初始天线周围排列了方形切角贴片,以此形成非均匀超表面.仿真结果表明,与初始天线相比,额外产生了两个谐振频率,导致反射系数S11带宽范围达到4.4~6.6 GHz.此外,轴比值突破了3 dB线,3 dB轴比带宽范围为4.7~5.7 GHz,增益平均提高了3 dB,峰值增益达到11.3 dBic;在5.05GHz处的辐射方向图表现出低于25 dB的低交叉极化.

一种宽带单脊波导缝隙天线的设计与仿真

基于一维相扫的宽带宽扫描角相控阵天线的需求,设计一种工作于Ku波段的单脊波导宽边纵缝天线,使用三维电磁仿真软件HFSS进行结构优化,得到天线具体参数。为增大带宽将缝隙划分为多个子阵,采用多层相同尺寸的脊波导垂直互联,并用E-T波导功分器为每个子阵分区馈电,从而实现特定能量比的馈入。该文设计的单脊波导宽边尺寸是同频段标准矩形波导宽边尺寸的73%,通过电磁仿真验证设计方法的可行性,天线在14.6~16.4 GHz频率范围内达到1.8 GHz的带宽,相对带宽为11.6%,VSWR<1.7,副瓣电平小于-20 dB,增益大于15 dB。

一种齿形低成本小型平面超宽带天线设计

超宽带系统因其数据传输快、信息容量大、低功耗等特点受到学术界和工业界的广泛关注。作为超宽带系统的重要组件之一,超宽带天线的性能对系统设计有很大影响。本文提出了一种齿形低成本小型平面超宽带天线,对其进行了结构设计、仿真优化和实际测试。该天线由介质板、辐射单元、馈电单元和接地单元组成,尺寸仅为30 mm×30 mm×1.6 mm。介质板采用FR4材料,辐射单元由矩形贴片和等腰梯形贴片组成,馈电单元采用50Ω微带线,接地单元是一个挖去了等腰梯形结构的金属镀层。该天线在2.6~11.5 GHz范围内工作,覆盖了超宽带技术(ultra wideband,UWB)频率范围,同时具有超宽带特性、小尺寸、高增益和良好的方向性能,可适用于超宽带无线通信系统中的小型化设备。

二维/三维可调纸基超材料天线

为满足移动通信系统对多频段、小型化天线的设计需求,结合超材料的结构优势,基于折纸技术设计了一种二维/三维可调双波段纸基超材料天线。为了说明纸基天线易加工、低成本、易携带等特点,分别将导电银浆涂覆在不同纸基材料上制备了天线实物样机。仿真和测试结果表明,在二维和三维状态下,天线分别工作在2.45 GHz和1.40 GHz频率处,且通过调节内环折叠角度可实现工作频段的调控。此外,分别研究了二维和三维天线的辐射方向图。二维天线的主辐射方向与天线所在平面垂直,而三维天线的主辐射方向受内环折叠角度调控。所设计的纸基超材料天线为实现工作频段可切换的天线设计提供了新思路,在便携式移动终端、多波段通信等领域具有广阔的应用前景。

一种轴线倾斜的圆锥对数螺旋天线

在圆锥对数螺旋天线构建阵列时,当有效辐射区间距超过一个波长或单元辐射方向不一致时,会出现阵列天线性能下降的情况。本文提出一种轴线倾斜的圆锥对数螺旋天线,将圆锥对数螺旋天线结构连续地向一侧平移,能够在实现轴线倾斜的同时,辐射结构依旧面向z轴方向。该天线的辐射保持沿z轴方向,具有“轴线倾斜,方向图少倾斜”的特点,可以解决圆锥对数螺旋天线阵列性能下降的问题。针对倾斜圆锥对数螺旋天线的复杂结构,给出了一种倾斜螺旋线展开方法,使天线可以用柔性印制电路板工艺加工。本文设计并加工了轴线倾斜20°的倾斜圆锥对数螺旋天线,实测方向图最大偏移11.8°,验证了该天线的有效性。

新型频率选择表面加载双极化超宽带紧耦合阵列天线

为使紧耦合阵列天线在超宽频带内实现电磁性能更佳、辐射性能更稳定的目的,提出一种新型条形频率选择表面宽角阻抗匹配层加载的双极化超宽带紧耦合阵列天线。通过高频仿真软件CST周期边界条件对阵列单元截断并进行研究分析。掌握阵元阻抗和辐射等电磁性能后,优化设计并加工出一个6×6单元的阵列天线进行实际测量。测量结果表明,该天线在2~12 GHz的频带内驻波比均小于3,驻波比带宽为10 GHz。带内辐射特性稳定,主瓣电磁能量集中,交叉极化小。工作频带内,最大增益可以达到13 dBi。该阵列天线可应用于超宽带相控阵天线领域中。