星载高增益宽频带高指向性阵列天线设计

针对卫星对X波段通信系统电磁波传输的需求,设计了一款新型X波段高增益宽频带高指向性微带阵列天线。采用平面多层板形式,通过多种技术手段改善天线性能。阵列天线采用侧馈的能量输入方式、多层缝隙耦合馈电设计提高天线带宽,同时将辐射层和馈电网络层分离以减小电磁波串扰和提升分离设计简约度,增加金属反射层以提高天线正向增益和前后比。根据工程总体需求,共设计了64阵元和256阵元的矩形微带阵列天线。两种天线经加工测试结果与仿真结果基本一致。该天线实现了高增益、宽频带、高指向性等性能指标,对X波段星地无线通信系统的设计有一定指导意义。

基于零折射超材料的双频高增益微带天线

基于双面对称单环开口谐振器对结构奇异的电磁特性,设计了一种频率可控的各向异性零折射超材料。将这种零折射超材料应用于普通双频微带天线,制备了中心频率为5.15GHz和6.8GHz的零折射双频微带天线。仿真和测试结果显示,由于零折射超材料的引入,天线的侧向辐射减弱,方向性增强。在低频工作时,零折射微带天线E面和H面半功率波束宽度分别减小了29°和10°,增益提高了2.2 dB。在高频工作时,零折射微带天线E面和H面半功率波束宽度均减小了16°,增益提高了2.4 dB。将零折射超材料应用于微带天线的介质基板,为高性能双频微带天线设计提供了有效途径。

基于超材料的高增益高方向性天线

分别将创新设计的两层"格子"型超材料单元加载于同轴馈电微带天线的正上方,利用其零折射率效应聚拢电磁波;将π型超材料单元加载于天线基板,利用超材料的禁带效应抑制天线后向波。分别对两种优化方法进行实验对比分析,最后综合两种方法设计出一款高方向性、高增益的微带天线。结合仿真实验与实物测试结果验证了理论的正确性。综合设计的新型微带天线与传统天线相比,增益为8.94 d B,增加了3.03 d B,提高了51.27%,方向性系数为10.69 d B,增加了3.51 d B,提高了48.89%,达到了设计实验的目标。

一种基于超材料的宽频带定向性微带天线

针对传统微带天线频带窄,增益低等不足,通过在天线的辐射贴片和接地板上分别刻蚀花型和十字交叉缝隙图案,设计并制作了一种基于超材料的宽频带定向性微带天线。刻有图案的金属贴片和接地板间形成电容感应等效回路并改变了天线电磁场的辐射方向。天线电磁场的辐射方向主要集中在水平–x方向而不是传统微带天线的垂直方向。相比传统微带天线,该设计天线的性能得到明显改善。仿真结果表明:天线的工作带宽为3.5~11.6 GHz(是传统微带天线的23.8倍),相对带宽为107.3%,在整个频段内天线的电压驻波比小于2,增益均大于5 d B。测试结果表明:设计天线的工作带宽为2.82~12.69 GHz(是仿真模型的1.22倍),相对带宽为127.3%。该设计天线可广泛地用于弹载天线,炮瞄雷达,卫星通信网络、汽车雷达等。