A Novel Structure of Slot-Antenna Array for Producing Large-Area Planar Surface-Wave Plasmas

The principle of surface wave plasma discharge in a rectangular cavity is introduced and the distribution of the electromagnetic field within a rectangular waveguide is analysed. A novel structure of a slot antenna array is presented. In comparison with the traditional slotantenna, it is shown that the designed slot antenna array can excite effectively the surface wave coupling into the chamber, and generate a stable large-area high-density plasma. These results are useful for exploring the optimized design of the slot-antenna for surface wave plasmas.

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.

脉冲宽度对高功率微波阵列天线辐射特性的影响

为了研究馈入脉冲波形的脉冲宽度(脉冲半高宽)对高功率微波阵列天线辐射特性的影响,以L波段(1.575 GHz)高功率微波波导缝隙阵列天线为例,首先从理论分析、数值仿真方面研究不同馈入脉冲波形脉宽对阵列天线辐射增益和辐射脉冲脉宽的影响,然后根据仿真模型加工制作了一款由4根波导组成的宽边纵缝阵列天线,并将波导缝隙阵列天线结合功分网络与吉瓦级微波源(高功率微波磁控管)连试,开展了高功率微波辐射实验。数值仿真结果表明,当馈入的L波段微波脉冲脉宽约为10 ns时,阵列天线辐射增益比连续波馈入时的增益减小2.2 dB,脉宽展宽2.6 ns;当馈入脉冲波形脉宽约为15 ns时,阵列天线时域增益比连续波馈入时的时域增益减小1.5 dB,脉宽展宽1.9 ns。高功率微波实验结果表明,与辐射场脉宽为9.6 ns的高功率微波相比,辐射场脉冲脉宽为15.65 ns的高功率微波功率密度提升了3.1 dB。

宽频小型化U形槽微带天线

针对微带贴片天线宽带化和小型化的设计需求,提出并设计了一种工作在S/C波段的改进的U形槽微带贴片天线。通过在辐射贴片中心开曲折U形槽,使缝隙和馈电探针偏离贴片中心,形成非对称曲折U形槽的层叠介质微带贴片天线。通过共面容性耦合馈电进一步提高天线的阻抗带宽。实测结果表明:该天线在3.11~5.40 GHz频率范围内回波损耗小于-10 dB,相对带宽可达53.8%,与仿真结果吻合,可为微带天线的小型化、宽带化设计提供参考。

高增益低旁瓣宽扇形波束脊形波导缝隙天线阵列设计

提出了一种具有高增益低副瓣的脊形波导缝隙阵列天线,中心工作频率为24.125 GHz,其包括一个八路馈电网络和一个尺寸为400 mm×65 mm的8×40辐射缝隙。通过波束合成方法提取天线阵列的期望激励分布,采用截止模式功率分配器灵活控制功率比。使用三维电磁仿真软件HFSS综合仿真计算,在中心频率处,获得仰角平面上的旁瓣电平(sidelobe level,SLL)和半功率波束宽度(half power beam width,HPBW)分别为-20.9 dB和54.5°、方位角平面上的SLL和HPBW分别为-27.8 dB和2.5°、峰值增益为23.2 dBi,仿真结果与理论分析一致。此天线可以同时实现低旁瓣的宽扇形波束,覆盖较宽的检测范围,并减轻来自其他方向的干扰,具有应用于空中探测、反无人机、气象雷达和成像雷达的潜力。

辐射零点可控的平面滤波贴片天线

为满足射频前端器件集成化和多功能化的需求,设计了一款适用于WLAN 5 GHz波段的辐射零点可控的平面滤波贴片天线。该天线以同轴探针馈电的微带贴片天线为原型,上表面是由融合共生带和矩形槽的金属辐射贴片,下表面试接地面。其中共生条带位于辐射贴片的宽边两侧,矩形槽蚀刻在辐射贴片上,位于同轴馈电点两侧。两种结构分别在通带的低频和高频处各引入一个辐射零点,天线实现了的滤波响应和良好的辐射特性,同时两个辐射零点的位置自由可控,提高了设计的灵活度。仿真与测试结果表明:滤波天线的中心频率为5.25 GHz,相对带宽为14%(4.89~5.62 GHz),两个辐射零点分别位于4.55和6.05 GHz处;工作通带内增益平缓,平均增益约为7 dBi,通带外抑制水平大于19 dBi,测试与仿真结果较为一致。该滤波天线的设计未引入额外的滤波器网络,节省了天线的整体尺寸,且剖面低、重量轻、结构紧凑,具有良好的滤波和辐射性能。

3D打印圆极化三角形微带天线设计与制作

针对普通单馈电圆极化微带贴片天线加工过程中对切角尺寸精度要求高的问题,提出一种3D打印的圆极化三角形微带贴片天线的设计和制作方法。与传统贴片切角或贴片中心开非对称槽实现圆极化的方法不同,该方法通过在介质基板上应用3D打印嵌入十字形槽实现圆极化辐射,研究结果表明,天线的阻抗带宽为7.3%(2.38 GHz~2.56 GHz,回波损耗小于-10 dB),圆极化带宽为1.2%(2.44 GHz~2.47 GHz,轴比小于3 dB),由于介质基板上的开槽尺寸远大于贴片切角尺寸,因此降低了对开槽尺寸的精度要求,提高了设计的灵活性。

RTD太赫兹探测器与片上天线的匹配技术

高信息传输速率和大带宽容量的太赫兹通信被认为是实现6G的关键技术,这需要高效、稳定和紧凑的太赫兹源和探测器。为提升探测性能,研究了一种共振隧穿二极管(RTD)与缝隙天线片上集成的准光式太赫兹探测器。针对电路的高频损耗和寄生效应问题,采用协同考虑阻抗匹配因子和天线辐射效率的设计准则,设计了0.67 THz的小偏压RTD偏馈式探测器。采用高频结构仿真器(HFSS)和先进设计系统(ADS)软件联合仿真表征其探测性能,当输入功率为-30 dBm时,该探测器在0.67 THz的电流灵敏度达2.349 A/W,相比微波段采用阻抗匹配因子最大的设计准则,灵敏度提升了28.01%。

一种高功率微波发射阵列天线设计和试验

设计了一种用于高功率微波发射的S波段波导缝隙阵列天线。采用耦合波导和馈电波导同层排布的方式减小了天线的剖面高度,通过耦合缝隙同向偏置,辐射缝隙按照一定规律排布补偿相位,实现了缝隙单元方向图同相叠加,对缝隙参数、功分器形式与功率容量的关系进行了仿真分析,并在天线内部充入0.1 MPa SF6气体,提高了天线的功率容量。仿真和试验结果表明,在6.7%带宽内,天线电压驻波比小于1.5,增益达到27 dBi,采用窄谱高功率微波源激励天线并进行了高功率微波发射试验,天线的发射波形与微波源的输出波形具有良好一致性,测试的微波源输出功率为2.67 MW。

一种终端间隙结构的波导缝隙阵列平板天线

为降低传统的波导缝隙阵列平板天线加工难度,提高环境适应性,分析了波导终端间隙结构对辐射波导输入阻抗的影响,提出了一种终端间隙结构的波导缝隙阵列平板天线,并给出了设计方法及22×4阵元Ka波段阵列的仿真结果。仿真结果表明:终端间隙尺寸较小时,终端间隙结构的波导缝隙阵列天线与传统的波导缝隙阵列天线性能基本一致;终端间隙结构的阵列在生产加工、环境适应性方面,具有较好的优势。

交叉耦合馈电的小型化八臂缝隙螺旋天线

研究了一种应用于卫星导航终端的小型化交叉耦合馈电八臂缝隙螺旋天线。八条缝隙螺旋臂作为天线的辐射单元,蚀刻在FR4介质基板构成的方形柱状结构的外表面。馈电网络为上、下相互正交四分之三圆环的交叉偶极子微带线结构,延伸至了外表面且实现了交叉耦合馈电。天线尺寸为0.082λ0×0.082λ0×0.130λ0(λ0为中心频率1.561 GHz对应的自由空间波长),实测结果显示,|S11|≤-10 dB的阻抗带宽为1.554 GHz~1.591 GHz,3 dB轴比带宽为1.535 GHz~1.594 GHz。在北斗卫星导航系统B1频段中心频率(1.561 GHz)和全球定位系统L1频段中心频率(1.575 GHz)处的增益分别达到了2.56 dBi和2.75 dBi。该天线采用八臂缝隙螺旋和交叉偶极子臂耦合馈电相结合的结构,实现了较好的圆极化性能,同时具备宽频带和小型化的特点。

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。

星载低剖面一维相扫缝隙阵天线设计

针对星载相控阵雷达应用背景,提出一款工作于Ku频段的低剖面轻量化一维相扫缝隙阵天线。天线基于射频-数字-供电一体化设计思路,并采用系统级封装(system in package,SiP)芯片实现高密度结构集成。与传统基于砖式或瓦片式收发(transmit/receive,T/R)组件的相控阵天线相比,所提天线设计可以有效降低天线剖面高度和重量。天线中心工作频率为16 GHz,具有600 MHz工作带宽,可实现一维方向波束扫描。此外,天线设计了自校准网络,可用于在轨期间射频通道幅相特性实时检测。样机实测结果表明,天线扫描角度范围可达±30°,等效全向辐射功率(effective isotropic radiated power,EIRP)与接收增益与噪声温度比(gain-to-noise temperature ratio,G/T)值测试结果均与理论计算值吻合。

基于基片集成波导的Ka波段毫米波缝隙天线设计

本文总结了由基片集成波导(SIW)设计缝隙天线的一般方法,并设计了一款8×8 SIW缝隙天线阵列。该天线主要由SIW馈电网络、缝隙阵列和微带线至SIW转换器三部分构成。利用泰勒分布函数控制阵列的馈电幅度以及缝隙的偏置距离,从而有效地控制了阵列在方位面和俯仰面的旁瓣电平。实验结果表明,该天线在33.30 GHz~36.54 GHz的频带范围内S 11幅值小于-10 dB,相对带宽为9.3%。天线最大增益为18.56 dB,H面副瓣电平小于-20 dB,E面副瓣电平小于-18 dB。该天线剖面低,易于共形,在机载、弹载等场景中有较好的应用前景。

一种小型化超宽带双极化天线

本文设计了一种小型化超宽带双极化天线。为实现小型化,Vivaldi天线设计了契合模拟能量密度波纹的拟合曲线槽缝,从而大大拓展了带宽。在未增大尺寸的同时设计了超表面透镜,在实现小型化的基础上提高了增益。将设计的单极化Vivaldi天线十字交叉镶嵌得到了最终的双极化天线。实测结果表明,双极化天线带宽为2.17 GHz~13.70 GHz,空间体积仅为0.1442λ1~3(λ1为带内最低频波长),最高增益达到12.32 dBi,隔离度大于30 dB。该天线可应用于雷达侦察系统等对极化敏感度要求高的应用场景。

一种新型的低剖面定向宽带圆极化天线设计

针对低剖面定向圆极化天线结构复杂、带宽较窄等问题,设计了一款基于类同轴波导的紧凑型宽带定向圆极化天线。该天线于波导上表面印制螺旋缝隙,波导内端口处使用同轴接口馈电。天线端口反射系数性能可通过合理地调节波导内外导体尺寸进行优化,避免了馈电网络的使用,天线结构得到简化。另外,天线无需借助反射地板可直接实现定向辐射性能,使剖面尺寸降低至0.1λ(λ为自由空间中最低频点波长),并由于同轴波导的宽带通性实现57%(2.7~4.85 GHz)的有效带宽。运用介质集成波导技术制作该结构天线,并进行仿真和测试,两者结果吻合良好,证明此种设计方法的有效性。与其他定向圆极化天线相比,该天线整体结构紧凑、设计简单、避免了复杂的馈电网络,且具有较宽的有效带宽。

四元超宽带高隔离MIMO槽天线的设计

提出了一款基于FR4的共面波导(CPW)馈电四元超宽带(UWB)高隔离MIMO天线。该天线由4个单元槽天线组成,天线尺寸为65 mm×65 mm×0.8 mm。通过采用缺陷地结构和切角的方式实现了天线的超宽带特性。单元天线相互垂直放置实现了极化分集,同时在天线中间加载隔离栏栅结构,增加了天线的隔离度。对天线进行加工测试,测试结果能覆盖2.86~11.1 GHz并在频段内隔离度大于20 dB,天线具有高隔离、超宽带和较低的包络相关系数(ECC<0.006)的特点。天线采用(CPW)的馈电形式,更易应用于集成电路中,适用于各种超宽带系统。

基于非福斯特电路的缝隙电小天线研究

无源电小天线遵循Bode-Fano约束准则,体积、带宽与效率互相构成约束关系,难以在小型化的同时实现宽频带。而通过非福斯特电路等效的负阻抗元件可以有效抵消电小天线的大电抗,从而突破上述准则的限制,提高天线的辐射性能。文中选用蝶形缝隙天线作为非福斯特电路匹配的对象,将电路焊接在天线的背面进行一体化设计,使有源天线的集成度更高。并通过仿真分析有源蝶形天线一体化后的馈电网络,比较了不同馈电位置与馈电方式对天线性能的影响。最终优化后的有源缝隙天线在250 MHz~850 MHz的工作频段内S 11参数均小于-10 dB,在谐振频率达到-24 dB时,相对带宽对比匹配前提升了109%,增益提升了5.8 dB。对该有源天线进行了加工测试,实测结果与仿真结果基本一致。

一种用于探冰雷达的高增益Vivaldi天线

介绍了一种用于S波段(2~4 GHz)探冰雷达的高增益Vivaldi天线。天线选择介电常数3.48的ROC4350B为介质板材料,采用微带馈电线转槽线的耦合结构进行馈电,并在辐射臂两侧加载两段指数型开槽提升整体增益,在渐变槽线中间加载指数型引向器进一步提升天线辐射性能。仿真优化后天线总体尺寸为113.6 mm×85.0 mm×1.52 mm。仿真结果表明,天线在S波段内回波损耗S11<-10 dB,天线增益整体在5.39 dB以上,最高达到了9.6 dB,且增益曲线平滑,实测结果与仿真结果较为吻合。

具有解耦结构的宽带定向双圆极化天线设计

本文设计了一种具有宽带特性的定向双圆极化天线。该天线具有三层结构:辐射层、反射层和解耦层。辐射层为矩形驱动贴片以激励U型缝隙产生圆极化辐射,天线通过两个对称的微带馈电端口可分别实现左旋圆极化和右旋圆极化。反射层为放置于天线正下方的金属板以实现定向辐射,但是这导致了天线轴比和端口隔离度性能下降。针对这一问题,在辐射层U型缝隙处倒角和开缝以改善轴比带宽,并在辐射层上方加载了刻蚀周期分布的寄生贴片解耦层以改善端口隔离度。仿真和测试结果表明,天线的阻抗带宽和3 dB轴比带宽分别为1.59 GHz~7.79 GHz(132.1%)和2.75 GHz~5.78 GHz(71%),天线的端口隔离度在工作频带内均小于-10 dB,峰值增益达到8.1 dBi。