基于液晶的U波段电控移相超材料

基于液晶材料(LC)的双折射特性提出了一种基于液晶材料的短十字型阵列电控超材料,超材料包括了上层石英板,金属结构阵,中间液晶介质层,金属地板以及下层石英板。相比于传统的阵列天线设计,运用了新的相位补偿方法,即通过加电改变反射阵列单元的介质基板液晶的介电常数得到的相位曲线实现0~250°的相位补偿,使得超材料实现在U波段的相位变化。仿真结果表明,通过将偏压从0增加到14 V,超材料在52 GHz时呈现250°的相移。此外,此超材料的谐振频率可从53.6 GHz连续可逆地转移到49.9 GHz。通过调节超材料液晶激励区域的介电常数即改变阵列单元的谐振特性,实现了相位补偿,为平面反射阵列天线的设计提供了一种新思路。     

伸缩式全金属反射阵列扫描天线

提出了一种伸缩式全金属反射单元,在此基础上设计了一个可用于高功率微波领域的全金属反射阵列波束扫描天线。通过反射单元的上下独立滑动,阵列中每个阵元所接收电磁波的传输路径可改变,从而实现了相控波束扫描。由电磁仿真可知,设计的反射单元能够在10～13 GHz的频带范围内实现0～360°的线性相位调节,且可在15°～40°偏馈条件下相位调节时保持高功率容量。由该型单元组成的中心工作频率为10 GHz的伸缩式全金属反射阵列扫描天线具备90°锥角范围内的二维波束扫描能力,功率容量可达5 GW/m2。同时,在波束扫描过程中,天线增益变化小于3 dB,副瓣电平低于?13 dB,最大口径效率为54.59%。     

一种旋转移相式高功率微波反射阵列天线

利用旋转移相技术的几何相位调控方法,提出一种基于传输相位差概念的波束扫描高功率微波反射阵列天线。电磁仿真结果表明,所设计的三叉戟形反射阵列天线单元工作于9.5～10.5 GHz,在0～40°入射角度下具有360°范围内的线性相位调控能力,真空条件下的功率容量达到1.11 GW。采用该单元设计了半径为200 mm的圆形口径反射阵列天线,并使用全波仿真软件进行验证,利用口径相位分布的可重构特性,所设计的反射阵列天线可以实现±40°范围内的波束扫描。在10 GHz时,波束扫描过程中的增益下降小于1.7 dB,最大增益达到31.1 dBi,对应口径效率为73.42%,最低口径效率超过50%,副瓣电平和轴比始终低于-18.7 dB和1.6 dB。     

X波段高功率宽频带双螺旋反射阵列天线的设计

为了提升高功率微波辐射天线的带宽,提出并设计了一种X波段高功率圆极化反射阵列天线,该天线采用喇叭天线作为馈源,阵列天线单元由可旋转金属双螺旋线构成,通过旋转螺旋线可以实现360°的相位补偿,同时反射损耗极小。设计了15×15矩形栅格螺旋反射阵列天线,全波仿真结果表明:该口径为315 mm的阵列天线在中心频点9.3 GHz下,增益为28 dB,轴比为0.53 dB,口径效率为52.6%;在8.5~10.9 GHz的频带范围内增益大于26.8 dB,轴比小于1.14 dB,1 dB增益带宽和40%以上口径效率带宽均大于21%;在真空中所能承受的最大功率约为207 MW。     

C/Ku波段共口径宽角度扫描相控阵天线

设计了一款具有高功率容量与宽角度扫描特性的C/Ku双频段共口径平面相控阵天线。在同一辐射口径内,相控阵天线包含有基于平面偶极子单元的C波段4×4阵列,以及基于混合零阶谐振贴片单元的Ku波段8×9阵列。所设计的相控阵天线的宽角度扫描性能归功于双频段阵元天线的宽波束辐射特性。下层混合零阶谐振贴片天线既能作为Ku波段的宽波束辐射单元,又能够为C波段的偶极子天线提供零反射相位,进而基于镜像原理拓宽偶极子天线的波束宽度。并且,对天线进行了介质埋入式设计,避免了空气击穿以提高天线系统功率容量。全波仿真结果表明,所提出的共口径相控阵天线在C和Ku双频段均实现了±45°的波束扫描,增益波动小于3 dB,天线阵列在各单元输入功率之和为1 W时功率容量达18.9 MW。     

基于矩形波导缝隙馈电的阵列天线设计

提出一种具有高功率容量的直线阵列天线,该天线阵基于矩形波导缝隙馈电,馈电耦合结构采用新型的弧形耦合缝隙,利用小螺旋天线作为辐射单元,通过旋转螺旋线内导体来调整各个辐射单元相位,从而实现一维波束扫描。采用等效传输法进行理论设计,数值模拟结果表明,该长度为3200 mm的单元天线在中心频率8.40 GHz上可获得的增益为27.50 dB,主瓣轴比为0.51 dB。功率容量约90 MW,辐射效率为97.10%,反射低于-24 dB,波束扫描范围±38°。     

基于超表面的多波束多模态太赫兹涡旋波产生

太赫兹涡旋波束可以被用于高速通信及高分辨率成像,其产生方式近年来受到了越来越多的关注.本文提出了一种反射型超表面,它可以在太赫兹频段产生四种不同模态的涡旋波束.超表面单元结构基于几何相位原理,由三层结构组成,上下两层为金属结构,中间层为介质,其上层金属结构由圆环及椭圆贴片构成.利用几何相位对圆极化波的调控作用,可以实现由线极化波到圆极化波的分解,并实现对不同圆极化波的灵活调控.为了同时调控反射波的偏转方向,本文利用平面反射阵列原理来计算每个超表面单元所需的相位补偿.通过相位叠加原理,在不同传播方向的波束中叠加不同模态的轨道角动量,较好地实现了太赫兹频段复杂波束的调控效果.仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生带有±1和±2模态的4个波束,在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值.     

宽带Ka波段平面反射阵列天线设计

平面反射阵列天线的发展受到了带宽与功率容量两方面限制。为此,本文首先基于多谐振技术提出了一种新型平面反射阵列单元结构,相比于传统单元,所提出单元结构具有功率容量高、剖面低且相移曲线线性度好的特点。其次利用所提出单元,通过优化阵面特性在Ka波段设计了包含20×20个单元的平面反射阵列天线。最后利用电磁仿真软件进行模拟计算,结果显示在中心频点35 GHz处,天线峰值增益为27.58 dBi,口径效率为52.33%,副瓣小于?16.08 dB,并且在30.41～39.64 GHz频率范围内（相对带宽26.37%）天线增益跌落小于3 dB,并且所设计平面反射阵列天线最大功率容量可以达到 13.99 MW,功率密度为218.54 W/mm2。     

超宽带时域天线阵列延时控制扫描实验

超宽带(UWB)冲激雷达目标探测中时域天线阵列波束延时控制扫描是通过天线阵列单元间精确的延时控制实现的。在介绍UWB时域波束延时控制扫描原理的基础上,研制了用于UWB天线时域波束扫描的延时控制器,其延时步进为50 ps,延时精度可达10 ps。利用该延时控制器对单元间距42 cm的4单元UWB天线阵列H面方向进行了单元间延时控制波束扫描测量,扫描步进角度小于2°。结果显示,在0°,10°,20°和30°扫描时,实际扫描角度分别为-0.5°,10.5°,20°和29.5°,与理论计算值之间误差小于1°。     

基于空间馈电的高功率波束扫描螺旋透射阵列天线设计

传统的透射式空馈阵列存在功率容量低的缺点,不能直接应用于高功率微波领域。现有的高功率空馈阵列布局不够灵活,波束扫描速度较慢,不能充分发挥空馈阵列在系统集成方面的优势。提出并设计了一种新型的采用空间馈电的螺旋辐射单元,并构建了一种透射式空馈螺旋阵列天线,通过控制单个螺旋旋转可以实现二维波束扫描,在设计上更加灵活,可根据实际应用需求调整阵列布局,符合高功率微波天线紧凑化、模块化的发展趋势。仿真设计了包含324个单元的透镜阵列,数值模拟结果表明,单元反射系数S11≤-20 dB,功率容量0.35 MW,阵列口径效率0.68,可在±45°范围内扫描,最大增益下降3 dB。     

高功率无移相器自旋转波束扫描天线设计

设计了一种无移相器结构的平板高功率天线,通过辐射层自旋转方式改变口径场相位分布,从而实现空间波束扫描,满足轻质、低剖面集成要求,辐射增益36 dB,波束扫描范围-30°至+30°,GW级功率容量,满足Ku波段工作的系统指标与能力要求。对天线进行了实物加工与测试,测试结果说明该天线具有良好的波束扫描特性和较高的口径辐射效率。无需加载移相馈电网络便可改变波束指向,具有伺服简单,结构紧凑,平面化、低剖面、轻质等优点,可广泛应用于机载、车载、舰载等高功率微波系统的表面共形发射。     

宽带W波段Flaps天线仿真与设计

设计了一种结合了"十"字和圆环的新型宽带W波段Flaps(Flat Parabolic Surface antenna)天线单元。相比于传统的单层Flaps天线单元,新型单元能获得更宽的相位范围且相移精度更高,能有效拓展天线的带宽。利用这种单元设计了94 GHz的单层Flaps天线,仿真结果显示了较好的带宽性能和方向性,中心频率处增益18.2 dBi,在10.6%的带宽内增益下降小于1 dB,实现了较好的宽带性能,为单层W波段Flaps天线的设计提供了一种新途径。     

Design of Cylindrical Conformal Millimeter-Wave Microstrip Antennas with Broad Beamwidth

This paper describes the design of a novel cylindrical millimeter-wave microstrip antenna (MA) with broad beamwidth by means of isotropic transformation (IT). A planar millimeter-wave antenna with broad beamwidth is designed first, and then IT is used to design a conformal one based on the planar structure. In addition, phased array with eight present elements has been designed as an example. Finally, numerical results are given to show that the present antenna possesses broad beamwidth and its array is of large scanning angle, which also verify the validity of the method of IT.     

A Novel Implementation Technique of Conical Scan Radar Using A Programmable Phased Array

In radar, planar phased array antenna plays vital role in electronic scanning in the azimuth and elevation direction to the horizon. In most operations using planar phased array both the coordinates of azimuth and elevation, are steered electronically. In this paper a conceptual schematic of a phased array antenna with programmable time delay units has been presented. It is shown that by suitably exploiting the time delay matrix one can have electronic beam rotation around the target axis as required in conical scan. Thus both the elevation and azimuth motors in conical scan system are replaced by electronic scanning. Heuristically, we have selected eight consecutive points for beam rotation in a polygon shape and can also be extended almost circular shape by increasing number of array elements and phase shifter (delays) in the delay matrix. The array requires dual control of phase gradient and individual phase values. The whole array is controlled by micro-controller. This presents exciting possibilities in radar operation.     

Novel Broadband Reflectarray Antenna with Windmill-Shaped Elements for Millimeter-Wave Application

A novel broadband millimeter-wave reflectarray antenna composed of windmill-shaped elements of variable lengths is proposed. Compared to the conventional single-layer reflectarray elements, the windmill-shaped elements can realize much larger phase variation range (over 600°), leading to broader bandwidth. Using this technique, a 15°-beam-steering reflectarray operating at 30 GHz is designed. The computed results demonstrate the agreement of the main beam steering with the design requirement, and a 1-dB gain bandwidth close to 20% is obtained. The validity of the obtained results is verified by comparing the ones generated by Ansoft High Frequency Structure Simulator (HFSS) with those produced by Ansoft Designer. The antenna is useful for millimeter-wave applications. This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 90505001), the High-Tech Research and Development Program of China (No. 2006AA01Z275), and the Creative Research Group Program of UESTC.