三镜波束波导在高功率微波天线中的应用

通过对波束波导馈电卡塞格仑天线工作原理的分析,论述了波束波导在高功率微波辐射天线中的应用及设计方法,重点介绍了一套利用波束波导馈电高功率微波辐射天线。该天线利用由三面反射镜组成的波束波导对一个由两个抛物面镜组成的双反射面天线进行馈电,实现了波束的快速扫描。该天线工作在X波段时,功率容量大于1GW,天线增益大于50dB。     

一种宽角扫描紧耦合阵列天线单元设计

提出一种新型紧耦合偶极子阵列天线单元,并结合等效电路对天线参数进行分析与优化。引入频率选择表面置于天线口径上方,取代传统的电介质板,用以改善宽角扫描时阻抗变换。巴伦采用微带线到共面平行双线过渡结构,实现平衡馈电及阻抗变换。仿真结果表明,该阵列能够实现3倍频(2~6 GHz) E面80°、H面45°的波束扫描,且在扫描范围内有源驻波比均小于3。仿真得到的阵列法向交叉极化隔离度保持在25 dB,由于阻性FSS的损耗,天线增益有所下降。该天线结构简单紧凑,易于加工制作,实现了紧耦合阵列的小型化。     

基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计

基于Pancharatnam-Berry相位原理, 设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中. 首先提出了一种变形十字超表面单元, 在11-16 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换, 并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面. 仿真结果表明, 垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显. 然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进行照射, 其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波, 有效地提高了天线的增益. 最终对所设计的天线系统进行加工并测试, 结果表明系统的-1 dB增益带宽达到25% (12.5-16 GHz), 在该频带范围内峰值增益均高于19 dBc且轴比小于3 dB. 此外, 在12-15.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.     

一种兼具宽带增益改善和宽带、宽角度低雷达散射截面的微带天线

设计并制备了一种兼具高增益和低雷达散射截面(radar cross section, RCS)的微带天线, 通过给原始微带天线加载双屏频率选择表面(frequency selective surface, FSS)覆层, 使其具有宽带的3 dB增益带宽和宽带、宽角度的低RCS特性. 该FSS单元的上层是四个开口处都焊有电阻的金属环结构, 下层是中间和四边都开缝的金属贴片结构. 上层加载的电阻主要用于吸收雷达入射波, 减缩天线RCS; 下层的贴片和天线地板构成Fabry-Perot谐振腔, 提高天线增益. 在5.75–11.37 GHz频带内, S₂₂<-10 dB, S₁₂<-10 dB; 在11.21–11.54 GHz频带内, S₁₁反射系数相位曲线斜率为正, 幅度模值均在0.86以上. 实验结果表明: 与原始天线相比, 在谐振频点11.73 GHz处, 天线增益提高3.4 dB, E, H面的半功率波束宽度分别减小16°和50°; 天线的3 dB增益带宽为10.00–12.40 GHz, 完全覆盖阻抗带宽. 在4.10–11.30 GHz 频带内, 天线法向RCS均有3 dB以上的减缩, 最大减缩23.08 dB; 4.95 GHz处的单站RCS在-20°–20°的角域、双站RCS 在-37°–37°的角域均有3 dB以上的减缩. 实验结果证实了该FSS覆层可用于同时改善天线的辐射和散射 性能. 关键词： 频率选择表面 低雷达散射截面 高增益 宽带     

超宽带Cassegrain双反射面天线研究

 为了减小馈线损耗和方便天线旋转，设计了超宽带Cassegrain双反射面天线系统。采用FEKO数值模拟软件在0.2~1.5 GHz频率范围内模拟了不同副反射面直径的4.5 m双反射面天线(焦径比为0.4)的辐射增益，并与相同口径和焦径比的前馈式反射面天线进行了比较。模拟结果表明:当双曲副反射面直径为70 cm，焦距为22.5 cm时，在0.2~1.0 GHz频率范围内，双反射面天线增益比前馈式抛物面天线高1～2 dB；在1.1～1.5 GHz频率范围内，双反射面天线增益比前馈式抛物面天线小1～2 dB。选择直径为70 cm、焦距为22.5 cm的双曲副面与TEM喇叭和4.5 m抛物面组成双反射面天线系统，分别用960 ps和3 ns脉宽的单极脉冲源对天线进行了实验研究。实验结果表明:用960 ps和3 ns脉宽的单极脉冲激励，Cassegrain双反射面天线在70 m轴上远场辐射场波形峰峰值分别为前馈式反射面天线的158%和162%。     

高功率平板波导螺旋阵列天线设计

提出了一种工作在C波段的高功率平板波导螺旋阵列天线。以平板波导馈电,降低了馈电复杂性和馈电结构高度;对基本的电探针结构进行改进,通过控制扇形缝隙的圆心角大小来调整耦合量,并采用上下脊结构消除反射;设计了短螺旋天线结构,通过分离的参数分别优化轴比和反射,得到天线的轴比在?7°～7°的范围内小于0.5 dB;构建了一个20单元的直线馈电阵列,通过电探针结构从平板波导中耦合能量,实现了20单元的等幅馈电。最后仿真了一个工作在4.3 GHz,包含20×20个单元的螺旋阵列天线,结果表明:该天线的增益为31.6 dB,口径效率为74%,在4.11～4.43 GHz的频带范围内反射小于?16 dB,功率容量3.6 GW。     

超宽带异向介质平面倒F天线

将异向介质地板引入平面倒F天线（PIFA）的设计中,探索了这种天线的新型辐射特性.修正的PIFA传输线模型中,利用异向介质的谐振电路取代了传统辐射贴片不连续性而引起的电容效应,从物理上有效地解释了这种PIFA辐射性能的提高.数值和实测数据表明,该PIFA天线-10 dB相对带宽超过了100%,谐振频率包含无线局域网络各通信标准及城域网2—6 GHz固定和移动宽带无线接入系统的所有载波频段.在2.4/2.5 GHz时,该天线将得到全向的辐射方向图,而在3.8 GHz和5.1—5.8 GHz频带内,该天线更集 关键词： 异向介质 传输线模型 平面倒F天线 超宽带     

一种空中辐射场测量用低轴比圆极化天线设计

在进行高功率微波(HPM)空中辐射场测量时,由于来波信号极化角度难以确定和受空中平台姿态影响等因素,普通线极化接收天线难以确保极化匹配,天线的极化失配会进一步降低辐射场参数测量的精确性。为了降低极化失配影响,在梯形微带圆极化单元天线分析设计的基础上,采用四阵元依次旋转90°和依次移相馈电的方式组建了一种低轴比微带圆极化阵列天线,该天线采用功分器和移相器作为馈电网络,天线在9.7 GHz实测增益约为9.4 dB,1 dB波束宽度约17.4°,轴比约0.4 dB。应用该圆极化天线可将极化失配引入的不确定度降低到0.2 dB以下,可满足高功率微波空中辐射场的精确测量需求。     

双负媒质结构改善Ku波段天线辐射特性

基于负介电常数和负磁导率产生原理,采用金属细线和裂环谐振器结构,针对12.5 GHz频率开展双负媒质结构设计。通过特殊边界条件下S参数计算以及Nicolson-Ross-Weir方法,完成等效参数的提取,获得介电常数、磁导率、折射率实部均为负值,且折射率接近于0的左手材料特性。将双负媒质结构加载于Ku波段圆锥喇叭口面进行仿真优化,提高天线增益2.17 dB,在11~13 GHz频带范围内,加载天线的增益均有所改善。实验结果表明,口面加载双负媒质结构后,天线增益提高1.51 dB,后向辐射减小5.7 dB,辐射特性获得了明显改善。     

一种性能稳定的新型频率选择表面及其微带天线应用

设计了一种基于分形树结构的高性能频率选择表面(frequency selective surface,FSS),并将其作为微带天线的空间滤波器,同时改善天线的辐射与散射性能.该FSS单元是由两层金属及其中间介质组成,上、下层金属采用金属柱连结,整体构成树枝状分形结构.通过优化参数,得到了一种宽带、极化无关、宽入射角、小型化的超薄FSS,厚度只有约0.017λ.将该FSS应用于微带天线后,天线的相对带宽拓展到40%,工作频段内的增益得到改善,9.6 GHz时,天线的增益提高了6.7 dB,同时,天线工作频带内的雷达散射截面(radar cross section,RCS)也得到了明显减缩,最大减缩为12.7 dB.实验结果与仿真结果符合得较好,证实了该空间滤波器具有提高宽带天线增益、增强天线定向性、改善天线带宽与降低天线带内RCS的效果,可以应用于宽带天线带内辐射与散射性能的同时改善.     

新型顶部加载单极天线

提出了一种新型顶部加U型负载的单极天线结构,给出了设计思想和结构模型,该天线采用同轴馈电,辐射轴向笔状波束且线极化特性良好的波,在理论分析的基础上具体对其进行了仿真,并依照仿真的尺寸结果,加工实物进行了实验研究。仿真结果表明:该天线实现了同轴馈电单极天线的轴向辐射,当工作频率在4.0 GHz时,天线轴向增益为8.33 dBi,轴向轴比为-69.64 dB,反射系数为0.034;在3.83~4.5 GHz的频率范围内反射系数小于0.1。实验结果表明:该天线在中心频率时测量增益为8.116 dBi,驻波比为1.098,并且在3.75~4.50 GHz的范围内驻波比都小于1.2,可以看出仿真结果与实验结果基本一致,互相进行了验证。     

高功率双层径向线螺旋阵列天线实验研究

 介绍了高功率双层径向线螺旋阵列天线的模拟优化结果，对按照优化结构尺寸加工的阵列天线进行了实验研究。在实验中，设计了用于连接标准接口和天线输入口的阻抗变换器，对阵列天线辐射特性的测量采用了标准线极化天线比较法。实验结果表明：在3.8～4.2 GHz的频率范围内天线增益大于19.7 dB，口径效率大于42%，天线轴比小于4 dB，驻波系数小于1.6；实验结果与数值计算结果基本一致。     

C波段单层16单元矩形径向线螺旋阵列天线实验研究

 介绍了C波段单层16单元矩形径向线螺旋阵列天线的模拟优化结果,对按照优化结构尺寸加工的天线模型进行了实验研究。在实验中,利用设计的用于连接标准接口和耦合输入口的阻抗变换器,采用标准线极化天线比较法对阵列天线辐射特性进行了测试。实验结果表明：在3.8～4.2 GHz的频率范围内天线增益大于17 dB,口径效率大于74%,天线轴比小于 1.3 dB,驻波系数小于1.2,与数值计算结果基本一致。     

三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线的设计与实验研究

 介绍了三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线的工作原理,设计并数值模拟了中心频率为4.0 GHz的三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线,并对此阵列天线进行了实验研究。实验结果表明：阵列天线在中心频率4.0 GHz 下,增益为15.3 dB,轴向轴比值1.58,驻波比为1.3,口径效率为86%;在3.8～4.2 GHz的频率范围内可实现圆极化定向辐射,增益大于14.9 dB,轴比值小于1.7,驻波比小于1.6。     

3圈48单元高功率径向线螺旋阵列天线研究

从理论、模拟和实验等角度详细研究了高功率径向线螺旋阵列天线。从该阵列天线的设计思想出发,提出并设计了中心频率为4.0 GHz的3圈48单元高功率径向线螺旋阵列天线,特别提出了螺旋单元天线的L型电磁组合耦合馈电,并对阵列天线进行了模拟和实验两方面的验证。实验结果表明,在3.6~4.1GHz的范围内,天线驻波比小于1.4,增益大于22.9 dB,口径效率大于65%。     

A High-gain Wideband Antenna with Double Fabry-perot Cavities

A high-gain wideband antenna, using the electromagnetic resonances of double Fabry-Perot (F-P) cavities, is proposed. The two cavities are excited by a patch antenna placed in the cavities on top of the ground plane. One of the double F-P cavities is formed by a ground plane and a single metallic strips array, and the other consists of the patch and the metallic strips array. The two F-P cavities have different resonance points which yield the frequency bandwidth of 7% between 13.0 and 14 GHz with S₁₁ ≤ 10 dB, meanwhile, in this frequency region high gain is also obtained. Moreover, the center frequency and bandwidth could be adjusted by changing the cavity length. The high-gain wideband antenna was manufactured and measured. The measured VSWR is less than 2 from 13.3 GHz to 15.2 GHz, the measured gain is 13.5 dB at 13.5 GHz. In addition to that, a considerable improvement of 7 dB in terms of gain is obtained when compared to the same antenna without metallic strips.     

一种基于共享孔径Fabry-Perot谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线

设计了一种工作于X波段的基于共享孔径Fabry-Perot(F-P)谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线,并设计了三种不同尺寸的双层频率选择表面(FSS)单元,通过共享孔径布阵组成了超材料覆层.利用三种FSS单元的相位补偿特性,有效拓展了覆层天线的增益带宽.实测和仿真结果均表明,加载超材料覆层后,磁电偶极子天线在7.8—12.3 GHz内S_(11)-10 d B,相对带宽达到44.7%,覆盖整个X波段.天线增益在7.9—12.1 GHz内均有明显的提高,最大提高了7 d B.相较于传统的F-P谐振腔结构覆层天线,设计的基于共享孔径的F-P谐振型超材料覆层天线能够明显拓展天线增益带宽,在新型宽带高增益天线设计方面具有广阔的应用前景.     

高功率线极化径向线阵列天线优化及实验研究

为了提高高功率线极化径向线阵列天线性能(口径效率及反射特性等),实现更优的径向线线极化阵列天线辐射,通过提高单元天线性能、调整阵列布局、改进馈电径向线和探针这3种途径对其进行了优化,并对其进行了理论分析、数值仿真和实验研究。实验结果表明:在中心频率1.57 GHz下,驻波比为1.19,增益为17.65 dBi,轴比为-39.2 dB;在1.47~1.77 GHz的频率范围内驻波比都小于1.4。     

基于宽波束磁电偶极子天线的宽角扫描线性相控阵列

设计并加工了两款基于宽波束磁电偶极子天线单元的宽角扫描线性阵列.首先,通过加载磁偶极子的方法拓展了天线单元的3-dB波束宽度.然后,基于该宽波束天线单元设计了两款具有良好宽角扫描特性的一维阵列天线.实测结果表明,天线单元的E面方向图3-dB波束宽度在9GHz—12 GHz均大于107°,H面方向图3-dB波束宽度在7GHz—12 GHz均大于178°.E面阵列中心单元的有源驻波比在9GHz—13 GHz小于2,相对阻抗带宽为36.36%.H面阵列中心单元的有源驻波比在9.6GHz—12.6 GHz小于2.5,相对阻抗带宽为27.03%.E面阵列在9GHz—12 GHz可实现±70°的有效宽角扫描.H面阵列在9GHz—GHz可实现±90°的有效宽角扫描.与传统的扫描阵列相比,设计的阵列可实现有效宽带宽角扫描,在X波段相控阵雷达方面具有广阔的应用前景.