一种基于脊间隙波导的宽频带馈电线源设计

设计了以脊间隙波导(RGW)功分网络为基本结构的宽频带馈电线源,该线源可用以激励平行板波导中的准TEM模式波,并用作宽带连续横向枝节(CTS)天线的馈电结构。首先对RGW阻带和单模带宽特性进行分析,以确定RGW的结构参数;进一步研究了宽带1分2功分器的设计方法、RGW模式到平行板波导模式的过渡结构方案;借助多级阻抗匹配和感性金属柱加载技术,实现了低反射等功率分配,以及输出端口到平行板波导的宽带匹配;最后将各分级结构级联得到1分8 RGW网络线源。对宽频带馈电线源进行了样机加工、装配和测试,在12 GHz~22 GHz频率范围内,其反射系数低于-15 dB,实测方向图与等幅同相均匀线源方向图吻合度很高,证明该馈电线源幅相一致性优异,是一种高效率的CTS天线馈电线源。

一种L频段倍频超材料角锥喇叭馈源设计

文中研究了一种基于超材料的L频段倍频角锥喇叭馈源,将超材料结构加载到角锥喇叭内壁,得到了辐射特性优良的喇叭馈源。设计优化了一种金属“十字线”状超材料单元,该单元为三维结构,顶部为正交的金属长方体,中心通过金属长方体与喇叭内壁相连接,周期排列形成阻抗超表面。超材料结构在TE模式和TM模式呈现不同的波阻抗,在特定条件下可使喇叭内传播模式达到平衡混合,从而实现了波束等化和低交叉极化。仿真结果表明,在1.35 GHz~2.70 GHz之间,馈源驻波小于1.25,照射角为20°,交叉极化小于-18 dB,代入标准卡氏天线中计算,效率在60%以上,旁瓣在-16 dB以下,与现有工程常用波纹喇叭和光壁赋形喇叭相比,电性能相当,但在加工难度、制作成本和体积重量方面,该超材料喇叭具有明显优势。

基于电磁超表面的宽角扫描相控阵天线

提出了一种基于电磁超表面的宽角扫描相控阵天线设计。其工作频率为19.6~21.2 GHz,扫描角度为二维±60°,相控阵天线单元为介质加载的波导口形式。为改善该相控阵的宽角匹配和辐射特性,用基于PCB工艺的电磁超表面替换常规的介质锥匹配结构。相控阵天线单元的仿真结果表明,超表面相控阵天线的有源反射系数更低。小规模阵列辐射特性的仿真结果表明,在±60°扫描角度范围内,超表面相控阵的最低增益相比常规相控阵提升了0.6 dB。中等规模阵列辐射特性的实测结果表明,常规相控阵在0°方位面扫描到60°时,辐射方向图会发生较大变形,天线辐射增益明显下降,而超表面相控阵的方向图仍保持完好,天线增益下降明显改善。上述仿真和实测结果证明,电磁超表面技术在改善相控阵天线宽角扫描特性方面可以发挥重要作用。

基于阻抗超表面的高效率角锥喇叭馈源

研究了一种基于阻抗超表面的高效率角锥喇叭馈源.将阻抗超表面放置于金属角锥喇叭内壁,获得了一种性能良好的新形式高效率馈源.首先分析了超表面对表面阻抗特性的调控作用,并证明该超表面对TE波和TM波呈现不同的阻抗特性.在特定的阻抗条件下,该喇叭内壁可以支持平衡混合模式,从而获得旋转对称的辐射波束.然后设计和加工了Ku频段的超表面高效率馈源,馈源的测试方向图表明其辐射性能优良.最后将该馈源照射一款1.25m Ku频段环焦天线,测试其辐射方向图,同样显示出其优异性能.与该环焦天线原有的波纹喇叭馈源相比,超表面高效率馈源的性能与波纹喇叭馈源相当,同时在体积、重量和成本方面具有明显优势.

一种宽带吸波的隐身天线罩设计

传统的吸波材料无法使天线同时满足工作带外隐身和工作带内透波的特殊要求。文中结合传统吸波材料的吸波特性和频率选择表面的滤波特性,提出了一种超材料的宽带吸波的隐身天线罩。利用超材料的谐振叠加特性,设计出宽带人工吸波结构。采用阻抗匹配技术进一步提高天线在工作频带内的透过率,并提高天线带外的吸收率。通过调节超材料吸波体的尺寸,构造了一种Ku频带透波、高于Ku频段吸波的超材料天线罩,在保证天线带内正常通信前提下,可减小天线带外的雷达散射截面,提高机载天线的隐身性能。

一种宽带高增益太赫兹透镜天线及其组阵设计

给出了一种宽带高增益的太赫兹介质透镜天线的设计方法,该太赫兹透镜的中心工作频率为220 GHz,工作带宽超过20 GHz,透镜外形为边长118 mm的方形。太赫兹透镜采用平凸透镜形式,透镜材料选用低损耗的氧化铝陶瓷,介质透镜前后表面带有阻抗匹配层,起到减小空气-介质交界面电磁波反射的作用。综合采用上述3种设计手段的太赫兹透镜天线实现了高增益和高效率。在太赫兹透镜天线容差分析的基础上,加工了太赫兹馈源网络和透镜样机,并进行了实物测试。实测太赫兹馈源网络的驻波、极化隔离度、天线增益和天线方向图均与仿真较为接近。进一步,将该阵列单元用于组阵以继续提高太赫兹天线增益,给出了周期组阵和非周期组阵2种布阵设计。计算结果表明,通过非周期组阵设计的透镜阵列天线,可以将栅瓣电平由-8.38 dB抑制到-13.69 dB。

基于小型化单元的L/X双频共用FSS副反射面设计

频率选择表面(FSS)可用于反射面天线的副反射面,为反射面天线系统实现多频段工作提供一种有效方法。提出一种基于卷曲圆环结构的小型化频率选择结构,对L频段的电磁呈透射特性,对X频段电磁波呈反射特性,其阻带带宽高达40%。文中对FSS副面进行了加工和测试,测试结果显示,在L和X频段,FSS副面的插入损耗分别小于0.63 dB和0.5 dB,基于该副面的5.2 m L/X双频共用卡式天线的效率大于51.3%,第一旁瓣低于-18.08 dB。文中设计的FSS具有小型化、宽带低损耗、角度稳定性高的优点,可用于多频共用反射面天线的工程设计。

一种宽频带等离子体天线

利用等离子体对电磁波的独特响应,设计了一种可工作于30~512 MHz的新型超宽带等离子体天线。给出了等离子体天线的设计方法,说明了天线的系统组成,采用新形式及阻抗匹配网络实现了天线良好匹配;分析了等离子体天线的低雷达散射截面(RCS)特性;突破关键技术,研制了一套超宽带等离子体天线样机,测试了天线的匹配和辐射特性,测试结果与仿真结果互相吻合。研究成果可推广应用于各类低RCS载体平台的微波通信天线系统中。

一种宽角圆极化平面反射阵天线单元设计

平面反射阵天线单元的电性能直接决定天线系统技术指标,而常规反射阵单元在大角度照射时工作性能下降,从而难以应用于小焦径比(即大照射角)的紧凑型天线中。针对常规反射阵天线单元宽角性能差的技术难题,提出一种采用匹配层设计的新型反射阵单元。该匹配层将空气中大入射角电磁波转化为介质中的小入射角电磁波,从而改善了单元的宽角工作性能。以一种工作于X频段的金属开口环形反射阵单元为例,采用匹配层设计技术后,天线单元在宽角度范围内的主极化反射率提高,交叉极化反射率下降。

介质加载超宽带四脊喇叭馈源

针对四脊喇叭馈源在高频区域照射效率急剧下降,进而导致馈源工作带宽受限的问题,文中提出了一种介质加载超宽带四脊喇叭馈源。研究表明:四脊喇叭中央加载的介质棒能够起到稳定四脊喇叭高频区相心位置和展宽高频区波束宽度的作用,从而将原四脊喇叭馈源的工作带宽从5个倍频程扩展到10个倍频程。该馈源反射系数低于-10 dB,用于照射焦径比为0.36的10 m反射面天线,整个频带内天线口面效率高于50%。

基于超表面的超宽带低剖面双极化天线

提出了一款基于超表面的超宽带低剖面双极化天线。该天线由2对垂直放置的偶极子和超表面阵列组成。由于采用双极化形式,能够引入附加的谐振点,从而拓展了天线的带宽。为了实现低剖面特性,偶极子天线加载了具有同相反射相位的超表面阵列。此外,通过超表面阵列的切角设计,改善高频段的电压驻波比和辐射方向图。该天线剖面高度仅为38 mm(0.1λ),在0.81~2.35 GHz(97.4%)频带内,电压驻波比(VSWR)小于2,端口隔离度大于15 dB,增益为5~11 dBi。

宽带大功率频率选择表面设计

频率选择面可在开放空间将不同频段的电磁波分开,为反射面天线系统实现多频共用提供一种有效方法。文中研究了矩形孔全金属频率选择结构的传输特性,将阵列天线的周期理论用于指导频率选择结构设计,通过优化设计得到一种在Ka频段透波的宽带大功率频率选择副面。基于该频率选择结构的副反射面可用于Ka频段大功率波束波导天线系统中,实现天线系统的收发共用。文中仿真分析了该副反射面对天线系统的影响,并对矩形孔径副反射面进行了加工和插入损耗测试。实测结果显示,在27.5GHz~31GHz频段内,该大功率副反射面对圆极化电磁波的插入损耗小于0.65dB,具有宽带低损耗的优点,满足现代大功率天线系统多频共用需求。

波束扫描分层双焦点透镜天线设计

为了提高双焦点透镜的扫描性能,提出了一种分层双焦点透镜设计,将双焦点透镜由单一介质改进为两种介质,增加了设计自由度,在相位控制的基础上调控口面场幅度分布,提高口面效率,增强扫描性能。利用粒子群优化算法,对形成该双焦点透镜两种介质分界面的透镜中间曲线参数进行优化,使口面场幅度分布更加均匀。优化设计的分层双焦点透镜在扫描±25°(8.3个波束宽度)时,可以实现边缘电平-7.88 dB,增益损失为0.43 dB,口面效率达到55.8%。在同样扫描角度下,分层双焦点透镜相比平凸透镜增益损失减小1.49 dB,相比单层双焦点增益损失减小0.51 dB。当扫描角度进一步增大后,分层双焦点透镜相比单层双焦点透镜的优势更加明显,在扫描±35°(11.3个波束宽度)时相比单层双焦点透镜增益损失减小1.35 dB,验证了分层双焦点透镜在扫描性能上的优势。

一种纯介质结构的宽带反射阵天线单元特性分析

提出一种基于纯介质结构的宽带反射阵单元结构。首先通过改变介质基片的介电常数,研究了纯介质单元的移相特性,然后采用阻抗匹配层技术,获得了宽带范围内平坦的相移曲线。由于自然材料的介电常数难以连续变化,这里使用介质基片开孔结构,实现了等效的介电常数非均匀分布。目前主流的反射阵天线使用微带贴片作为阵列单元,它存在工作带宽窄、相移范围受限的问题。提出的纯介质单元则为宽带反射阵天线的设计提供了一种新思路。

基于双焦点设计的平面波束扫描透镜天线研究

为了提升平面透镜天线的扫描性能,以实现波束扫描或多波束应用,首先研究设计了单焦点平面透镜天线,针对单焦点平面透镜天线在大角度扫描时增益降低太快的问题,引入了反射阵和传统介质透镜的双焦点设计方法;基于阵列天线合成理论,计算了双焦点透镜天线的辐射特性;采用多层金属孔阵列单元,建模了平面透镜天线模型,仿真对比了单焦点透镜和双焦点透镜天线的扫描辐射特性;结果表明,在扫描范围(0~27°)内,双焦点透镜天线的最低增益相对于单焦点透镜天线有明显提升,而且大角度扫描方向图形状也有改善,证明了双焦点的设计方法有效提升了平面透镜的扫描性能。

基于反射阵技术的平面型副反射面设计方法

提出一种基于反射阵技术的平面型副反射面设计方法。根据双反射面天线的焦点变换关系,得到了平面型副反射面的相位补偿规律。采用开口环形单元设计了一种平面型副反射面,将初级馈源±20°的入射波束转化为照射角为±35°的散射波束。仿真对比了散射波束照射天线主面的口径效率。采用所设计的平面型副反射面,天线口径效率达到61.14%,与金属副面64.02%的口径效率相差无几。平面型副反射面采用印制板工艺制作,具有精度高和成本低的技术优势。

磁导率近零超材料实现方向性辐射

提出一种基于磁导率近零超材料实现对称振子方向性辐射的技术手段。使用经典的开口谐振环结构,设计出工作在10 GHz附近的磁导率近零超材料,并将其放置于对称振子天线周围,在水平面内将原天线的全向辐射转化为多波束辐射。对比了各向同性和各向异性磁导率近零超材料在方向性辐射中的性能,全波仿真结果表明,各向异性超材料的性能更优异。使用磁导率近零超材料实现了3个波束的高方向性辐射,该种技术方案可以降低多点之间通信的建设费用,有一定的工程应用前景。

一种抑制高功率微波击穿的副反射面天线罩设计

针对应用于辐射高功率微波的双反射面天线系统设计了一种新型抑制高功率微波击穿的副反射面天线罩.该副反射面天线罩为基于复合材料的曲面球壳体结构,通过在罩内填充SF6气体,能够有效抑制副反射面附近高功率微波击穿.首先仿真分析了高功率脉冲照射下的天线副反射面附近区域空气击穿空间分布,确定天线罩的最小外廓尺寸.然后开展天线罩低损耗设计方法研究,通过采用优化算法对罩体外形曲线进行优化设计,使得电磁波与天线罩体的夹角控制在44°以内,并以此作为输入优化得到使透波系数最优的蒙皮和芯层厚度参数.此外,为避免复杂的成型工艺,将副面罩简化为泡沫环筋结构,其既有低损耗特性又兼顾了一定结构强度.最后对天线罩的电气性能进行仿真与测试验证,实测结果表明这种副面罩引入的插入损耗在0.3dB以内,透波率达93.4%以上,对反射面天线系统的辐射性能影响很小.

基于超材料的椭圆波束馈源技术研究

针对传统工程用椭圆波束馈源带宽窄、加工难度大等问题,设计了一种新型的椭圆波束馈源,即在角锥喇叭内壁加载超材料层,使得馈源在水平极化和垂直极化两个极化辐射相同椭圆外形的波束;根据阻抗匹配原理,当电磁波水平极化和垂直极化入射时波阻抗的乘积与真空中波阻抗乘积相等时,超材料单元的性能达到最优,将优化后的超材料单元周期排布为超材料层加载到喇叭内壁,即可形成椭圆波束馈源;在Grasp软件中仿真计算了该馈源作为前馈馈源和后馈馈源使用时,反射面天线的电气性能;仿真结果表明:在工作频带10.95~14.5GHz内,基于超材料的椭圆波束馈源实现了良好的极化波束等化,波束宽度比在0.9~1.14之间,驻波小于1.55;前馈照射反射面时,天线效率在65%~75%之间,交叉极化电平低于-30dB;后馈照射反射面时,天线效率在61%~72%之间,交叉极化电平低于-30dB,验证了馈源设计的可行性。

基于模式控制的四脊喇叭馈源设计

四脊喇叭馈源具有较宽的工作频带,但随着频率变化波束宽度难于保持恒定,导致照射效率降低。为了提高天线的口径效率,提出了一种通过控制馈源口面模式设计四脊喇叭馈源的方法。首先以天线口径效率为目标,通过优化得出喇叭口面上的最优模式比例,然后通过改变四脊喇叭的结构参数来调控其口面的模比,使其逐渐逼近最优模比。利用该设计方法,设计了一个半照射角为40°的四脊喇叭馈源,在3∶1带宽内,方向图波束宽度恒定且具有旋转对称性,天线口径效率优于60%。