宽带宽波束圆极化天线的小型化理论与设计研究.pdf

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1、宽带宽波束圆极化天线的小型化理论与设计研究叶喜红2015年1月中图分类号：UDC分类号：宽带宽波束圆极化天线的小型化理论与设计研究作者姓名叶喜红学院名称信息与电子学院指导教师何芒副教授答辩委员会主席王越院士申请学位工学博士学科专业电磁场与微波技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月TheoryandDesignoftheMiniaturizedBroadbandandWideBeamwidthCircularlyPolarizedAntennasCandidateName：XihongYeSchoolorDepartment:Informationa

2、ndElectronicsFacultyMentor:AssociateProf.MangHeChair,ThesisCommittee：AcademicianYueWangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：ElectromagneticfieldandmicrowavetechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所

3、知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要人类进行通信的目的是传输和交换信息，现代无线通信技术的快速发展，使人们之间的通信几乎摆脱了距离和时间的限制。天线是无线通信系统中不可或缺的基本部件，是辐射和接收电磁波的转换装置。为了适应现代无线通信系统小型化的发展需求，天线的小型化设计也显得尤为重要和迫切。针对于此，本文在尽量

4、保持天线良好电性能的前提下，致力于谐振类天线的小型化理论与设计研究，重点研究具有宽带、宽波束、圆极化特征的天线小型化设计理论与方法，主要研究内容和研究成果概括如下：首先，结合现有的天线小型化技术，提出了一种新型的宽带圆极化微带天线结构。应用高介电常数的介质基板减小天线尺寸，同时利用一种新颖的双馈电结构展宽了天线的工作频带，完成了宽带圆极化U形缝隙微带天线的小型化设计。该天线具有0.33λ0×0.33λ0×0.068λ0的较小尺寸，且在20%以上的有效工作带宽内具有稳定的辐射特性。针对该天线结构，提出了一套完整且具有相当精度的分析与设计公式，便于快速而准确地预估天线

5、结构参数。其次，将折叠导体腔结构加载到宽带圆极化U形缝隙微带天线中，进一步有效地减小了天线结构尺寸、展宽了辐射波束。然后，通过对折叠导体腔结构进行改进，简化了导体腔加载天线结构的制作工艺、降低了成本，并且改善了天线的辐射性能。利用这种改进的导体腔结构，提出了一种新型的宽波束圆极化天线结构，该天线具有可覆盖几乎整个上半空间的3dB轴比波束宽度。其次，针对在具有强约束条件应用平台上的天线设计问题，作者根据经验总结了一套天线—平台一体化建模设计的基本流程，利用该流程分别在S波段和C波段成功地设计了满足严苛指标要求的弹载天线结构。在S波段提出了一种单馈宽波束圆极化背腔式缝

6、隙天线结构，采用交叉缝隙结构展宽天线的辐射波束、利用折叠缝隙减小天线的尺寸、优化同轴馈电位置改善输入端口的阻抗匹配和天线的圆极化辐射性能。将两个相同的天线结构对称地安装于弹体上，在不违背二元阵列工作原理和特性的前提下，使得该二元阵列具有近似全向辐射特性。在C波段，提出了一种端射宽波束圆极化微带八木天线结构，端射方向上此天线在较宽的频带内具有足够大的增益，并且同o时在俯仰面和水平面均具有80左右的圆极化辐射波束宽度。最后，为了打破常规天线结构小型化设计的瓶颈，本文对基于超表面结构1北京理工大学博士学位论文（Metasurface）的天线小型化技术进行了较为深入的理论

7、研究和设计方法探讨。首先将部分反射面（PartiallyReflectiveSurfaces，PRS）结构和叠层圆极化微带天线结合，利用PRS改善了天线的方向性、提高了天线增益，提出了一种具有较宽工作频带的高增益圆极化天线结构。该高增益天线结构与相应的阵列天线相比，具有更小的横向尺寸，这对于有效地减少大型天线阵列中天线单元数、降低工程成本具有一定的意义。另一方面，研究了基于电抗性阻抗表面（ReactiveImpedanceSurfaces，RIS）结构的圆极化天线小型化理论与技术。首次利用RIS结构表面电抗的容性区域降低了天线工作频率，与其他学者仅利用RIS感性区

8、域的方式相