宽带极化与方向图可重构天线研究

随着无线通信系统的快速发展, 宽带可重构天线将在未来发挥巨大作用.文中综述了四种宽带极化与方向图可重构天线, 它们都具有提高通信系统容量, 消除极化失配, 扩大辐射范围等特点.首先介绍了一种宽带的多线极化可重构天线.此款天线基于L型探针馈电的贴片天线, 实现了0°, 45°, 90°以及—45°极化的选择, 具有宽带、低剖面、高增益的特点.其次, 同样基于L型探针馈电的贴片天线, 通过引入一个输出相位可重构的功分馈电网络, 实现了宽带的圆极化可重构天线, 其同样具有宽带、低剖面、高增益的特点.除了极化可重构天线, 文中还介绍了两款方向图可重构天线, 可分别实现线极化以及圆极化的全向锥状波束以及定向辐射波束的方向图可重构.前者是基于宽带的单极子贴片天线跟L型探针馈电的贴片天线的有机结合.后者是基于环缝隙的贴片天线配合激励端口可重构的功分馈电网络的组合.此两款天线均具有结构紧凑、宽带、增益稳定的特点.     

圆极化微带阵列天线的设计

研究了圆极化微带阵列天线的设计方法。重点讨论了用双馈电正方形单元天线实现圆极化、高增益阵列天线的实现方法,并利用Ansoft HFSS 软件进行仿真分析,仿真结果显示,在工作频带内天线增益>13 dB,驻波<1.3,方向图E面波瓣宽度>33°,H面波瓣宽度>33°。     

同频方向图可重构印刷振子天线设计

为了在同一副天线、同一频段实现方向图可重构,提出了一种方向图可重构印刷振子天线。通过改变开关的状态,天线实现单极子和带反射器的偶极子两种工作方式。单极子辐射全向方向图,带反射器的偶极子辐射方向图为定向。利用Ansoft HFSS10.0 仿真软件对天线尺寸进行了分析和优化。仿真结果表明：开关断开、闭合时,天线实现 了在2.34～2.64GHz 工作频带上的定向和全向方向图;在2.45GHz 处,最高点增益分别为6.7dB 和3.1dB。     

频率可重构的液态金属锥形螺旋天线的仿真设计

为设计多频带GNSS天线且具有体积小、高增益、可重构、易于保密等特点的圆极化天线,提出一种频率可重构的液态金属锥形螺旋天线。天线可应用于卫星导航系统,包括GPS,GLONASS,BDS-2B1和BDS-1S系统。采用HFSS软件对天线进行设计与仿真,并利用仿真软件的优化功能对天线进行阻抗匹配,得到了良好的圆极化辐射和阻抗特性。仿真结果表明,天线在设计的两个频段内,增益大于3 dB,轴比均小于3 dB。因此,所提出的频率可重构的液态金属锥形螺旋天线具有非常广阔的应用空间。     

新型Ku频段全向微带阵列天线

设计了一种新型Ku频段全向天线,该天线由双面辐射微带阵列组成,通过串联形式馈电,实现了全向中等增益辐射特性.文中给出了微带阵列天线的设计方法,对该微带阵列天线的阻抗带宽特性、方向图特性和馈电结构进行了分析.结果表明,该微带阵列天线反射损耗小于-10 dB的绝对带宽为1.15 GHz,在可用频带内全向增益为6.8 dB～7.3 dB,E 面波束宽度在20°～24°,H面方向图不圆度在±0.5 dB以内.该天线能够满足微波通信系统要求.     

基于智能超表面的二维相扫天线

针对传统相控阵天线设计复杂、成本高昂等问题,提出了基于智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)的空间馈电二维相扫天线。该天线通过RIS技术对来自馈源的电磁波进行相位操纵,实现了天线高增益和天线波束的可重构。与传统相控阵天线相比,该天线具有结构简单、成本低廉、剖面极低等特点。天线原型由一块含有1 024个单元的超表面阵列、驱动模块及自支撑馈源组成,其中超表面阵列通过现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)来实时控制以满足天线波束快速切换、方向图二维实时重构等需求。超表面单元两种调控状态在6.5～10.0 GHz具有低于0.5 dB的幅度损耗,在7～10 GHz频带范围内反射相位差在180°±5°以内。天线原型在7.7、8.0、8.3 GHz的测试增益为24.72、24.92、25.06 dBi。天线±60°扫描增益滚降低于4 dB。     

新型可重构临近耦合偶极子天线阵

提出了一种可重构的临近耦合印刷偶极子天线阵。其通过控制每个振子的间距和振子偏移中心馈线的距离实现方向图的改变,提出的可重构天线阵,将形成不同方向图的偶极子天线阵嵌套排布,并通过pin管开关切换不同的偶极子辐射单元组,从而实现天线方向图的重构,改变天线的最大辐射方向。仿真结果表明在9.8 GHz的中心频点上,该天线可实现最大辐射方向在0°和40°上切换:波束指向为0°方向时,最大增益为12 dBi;为40°时,最大增益为8.7 dBi,两种工作状态下天线输入端s11均优于-30 dB,匹配良好。     

MEMS开关在不同功能可重构天线中的应用

在介绍了可重构天线的基本原理和主要特点的基础上,针对具体功能的不同,介绍了MEMS开关在频率可重构天线、方向图可重构天线、以及频率和方向图同时可重构天线中的应用方法。     

新型电控可重构天线阵全向单元设计

该文提出了一种性能良好的新型方向图可重构天线阵全向印刷单元天线。该天线由两对半波振子背靠背印刷在介质板上构成,结构简单紧凑。相对带宽达50%(VSWR<2),在工作频带内,增益6.44 dBi,不圆度小于2.0 dB。文中给出了仿真设计结果和实测的电参数数据,两者有较好地一致性。本天线适用于WiMax(802.16)终端及WLAN基站或中继站天线。     

频率方向图复合可重构寄生单极子天线阵列

提出了一种能应用于无线通讯系统的新型介质支撑开关寄生阵列天线.基于八木天线原理,天线可以实现频率及方向图的复合可重构.所引入的开关用来切换不同状态的工作频率并实现方向图的扫描.地支结构用来改善天线的阻抗匹配并展宽频带.测量结果表明:天线阵列可以在保证回波损耗小于-10 dB的情况下完全覆盖1710～1880 MHz、1...     

基于Zernike多项式的单偏置反射面天线赋形设计

研究了一种用Zernike多项式表示反射面,通过目标函数优化天线指标的反射面天线赋形方法。通过加入第一零深到目标函数中改进原目标函数,消除方向图变异。分析了Zernike阶数n=4时Zernike曲面与单偏置抛物面之间的误差。运用此方法设计了一款反射面天线:频率为9.5GHz-10.5GHz,增益≥41dB,水平波束副瓣电平≤-30dB(±10°内),≤-35dB(±10°外),俯仰波束在-35°到+30°范围内,相对增益小于目标包络线。     

一种Ka频段高效率圆极化宽角扫描波导缝隙相控阵天线

该文提出一种新型小尺寸、低剖面、“f”字型波导缝隙圆极化器,高度仅1/6波长,宽度约2/5波长。基于该圆极化器,设计了一种高效率、低剖面、圆极化脊波导缝隙线阵天线。为满足空间应用中对轻质、高效率、圆极化、±60°宽角扫描相控阵天线的需求,采用该线阵天线作为阵元设计、仿真并实现了16阵元Ka频段脊波导缝隙相控阵天线。仿真和实测结果表明,该相控阵天线可实现1维±60°宽角扫描。在扫描角范围内,相控阵天线的轴比小于4.1 dB,增益下降小于4.3 dB。在0°扫描角工作时,天线的实测增益为35.9 dBi,辐射效率接近85%。     

面向5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线设计

文中提出并设计了一款应用于5G微基站的双频双极化电磁偶极子天线,工作带宽完整覆盖了长期演进（long term evolution,LTE）技术的主要频段和5G的全部中频段.该天线首先采用正交放置的渐变式Γ形馈电线对两个交叉放置的电磁偶极子馈电实现双频双极化,随后通过在电偶极子上添加H形缝隙有效扩展了低频段的带宽,最后创新性地引进具有电容性质的圆形寄生贴片将高频频点降低.此外,利用一款添加金属围栏的反射板来改善天线增益和辐射方向图的稳定性.测试结果表明:该天线S_11,22 < -10 dB的阻抗带宽为58.2%（2.11~3.84 GHz）和8.9%（4.72~5.16 GHz）,端口隔离度（|S₁₂|）高于25 dB,双频段内的平均增益分别为8.7 dBi和7.2 dBi;天线E面的半功率波瓣宽度在整个工作频带内的变化为61°±6°,交叉极化比高于20 dB.仿真与测试结果达到了良好的一致性.该天线结构简单、性能优良,可以作为LTE/5G室内基站天线的良好的候选.     

低互耦星载相控阵天线设计

介绍了一款工作于Ku频段的低互耦星载相控阵天线的设计方法, 采用在阵列单元周围加载金属腔体的方式降低阵列单元之间的互耦效应, 从而改善相控阵天线的方向图扫描特性.针对相控阵天线在二维±60°范围内低副瓣波束扫描的特点, 对5×5子阵和16×16阵列进行了研究, 验证了阵列的互耦降低方法的有效性和电性能.研究结果表明:相控阵单元间互耦小于-16 dB, 而相控阵单元在15.1~16.8 GHz电压驻波比小于2, 相对带宽11%;在频率为f₀±500 MHz范围内, E面3 dB波束宽度大于98°, 5 dB波束宽度大于113°, H面3 dB波束宽度大于113°, 5 dB波束宽度大于122°.在仿真设计的基础上, 研制了子阵天线试验样机, 测试结果与设计结果吻合良好, 证明了降低互耦方法的有效性, 天线单元方向图满足在±60°范围内波束扫描的要求, 可应用于相控阵雷达系统.     

小型化北斗导航圆极化天线研究

结合多种贴片开槽方案,采用正交馈电圆极化激励方式,实现了一款北斗B3(1 268.52±10)MHz频点导航天线的小型化设计。通过电磁仿真软件HFSS对其结构参数进行优化仿真分析,数值结果表明:小型化天线在B3处的顶空增益为3.69 dB,低仰角增益≥-1.5 dB(≤±70°),反射损耗小于-10 dB的带宽为20 MHz,带内轴比≤2 dB。该小型化天线贴片尺寸相比同介电常数基板的同频点未开槽天线缩小72.8%,具有一定的应用前景。     

一种Ka频段多波束天线的工程实现

针对近空间飞行器测控的需求,设计了一种Ka频段的宽角覆盖多波束天线。采用方喇叭作为馈源,通过馈源的横向偏焦,实现反射面天线的宽角覆盖;最后,仿真并研制了原理样机,进行了测试。测试结果表明,该多波束天线覆盖了±1.5°以上的空域,且在覆盖区内的增益差小于1.8 dB,实现了对探测空域的宽角高增益覆盖。样机的研制成功为后续的工程优化提供了重要的设计参考。     

超短波宽带高增益稳定度全向阵列天线设计

设计实现了一种超短波宽带高增益稳定度全向阵列天线,天线采用平行双线对不共面的印刷偶极子阵列并联馈电。通过在馈电端添加非对称枝节实现了天线的宽带特性,并获得良好的增益稳定性。天线采用互补结构,提高带宽,优化水平面不圆度。该天线结构简单,易于制作。实物测试结果表明,该天线在298~440 MHz频段内满足电压驻波比小于2,相对带宽达38%,在300~400 MHz工作频段内增益稳定度为±0.45 dB,不圆度小于±1.5 dB。     

用于空间功率合成的线阵馈电焦散抛物曲面天线

提出了一种用于空间功率合成的焦散抛物曲面天线,该反射面天线是由xoz平面的一条抛物线沿着yoz平面上的另一条抛物线正交扫描所形成的,天线用8单元E面喇叭线阵进行偏馈。研究了天线的反射面结构参数对天线性能的影响以及横向偏焦电扫描特性,给出了不同辐射方向下阵列的相位配置公式。仿真和实验结果表明:提出的方案可以在给定方向合成高增益波束,与同样线阵馈电的抛物柱面天线相比,H面3dB波束宽度从8.2°下降到了5°,天线增益提高了2.2dB.     

差分馈电双极化四波束方向图可重构天线

提出了一种平面差分馈电双极化四波束方向图可重构天线.该天线由两个相互正交的偶极子和四个带PIN二极管的寄生单元构成,有两个差分馈电端口,通过短截微带线给两个相互正交的偶极子馈电.两个偶极子正交摆放、异面垂直,与寄生单元蚀刻在同一基板上,整体结构简单.切换PIN二极管的不同状态得到四个波束的方向图可重构和两种方式的极化可...     

一种基于超表面的方向图可重构天线

为了满足日益增长的对多功能天线的需求,提出了一种基于超表面覆层的低剖面可重构天线. 该天线由三部分组成:矩形蘑菇型超表面覆层,缝隙耦合天线和简单的直流偏置控制电路. 通过分别调整两组PIN开关的工作状态,使得天线辐射表面的电流被改变,进而实现辐射方向图的重构. 通过仿真计算和优化,最终确定了天线的最优结构. 实测结果表明:天线可以在四种不同的状态下工作,其xoz面方向图可以在±30°之间切换;四种工作状态的共享?10 dB阻抗带宽为4.2%. 所提出的天线具有低剖面、高增益、低成本、操作简便等特点.