宽带高功率贴片天线阵列辐射特性

 为提高宽带高功率微波辐射天线的总体功率容量和增益,研究了2×2宽带高功率贴片天线阵列的阵元互耦特性、馈电功分器设计及对宽带电磁脉冲的辐射特性。阵元采用宽带高功率双层贴片天线,分析了阵元反射和互耦系数随阵元间距的变化关系,结合增益变化曲线,选取阵元间距为30 cm。优化设计了1分4的同轴功分器,采用阻抗渐变方法,提高了功分器的带宽,使其在224~415 MHz时的反射系数小于0.1。模拟了带功分器的完整天线阵,结果表明天线阵带宽达到了57.4％,280~390 MHz频带范围内的增益大于12 dB,在360 MHz时达到最大增益14.23 dB,对中心频率320 MHz,带宽10％的宽带电磁脉冲辐射效率为868％,峰值功率增益大于11 dB。     

宽带高功率贴片天线优化设计与实验

研制了中心频率为300 MHz的宽带高功率贴片天线,并进行了高功率实验研究。采用Taguchi全局优化算法对双层贴片天线的结构参数进行优化设计,使其驻波比小于3的带宽达到60.2%,最大增益8.1dB。为提高其功率容量,对贴片、介质基底和馈电结构进行了改进和相应的绝缘设计。小信号测试结果与理论计算吻合,实测带宽达到64.2%。高功率实验中,馈入峰值89 kV和-81 kV的双极的脉冲,辐射因子达到75.2 kV,等效峰值辐射功率为188.5 MW,辐射场频谱的3 dB带宽为46%,实测能量方向图与模拟结果相符,半能量角宽约为90°。     

高功率双频宽谱平面倒F天线设计分析

设计了一种双频带的高功率宽谱平面倒F天线。在矩形贴片上开L形槽实现天线双频辐射。采用圆锥过渡实现同轴馈线到平板之间的宽带阻抗匹配;通过折叠振子电容加载和合理增加天线高度和宽度实现天线宽带设计。经过优化设计,实现了274 MHz和680 MHz的双频输出,反射系数S11不超过-6dB的低频带宽和高频带宽分别达到14.6%和20.1%。天线的低频和高频增益分别达到4.4dB和4.6dB,对应辐射效率分别达到98%和99%。主辐射方向上的低频和高频远场辐射场与距离乘积与馈入宽带脉冲幅度比值分别为1.07和1.14。对天线的高功率容量进行了设计,将天线置于充0.2 MPa压力SF6气体的增强尼龙箱体中,天线可承受200 MW宽谱高功率微波。     

紧凑型宽谱高功率微波辐射器仿真设计

为了提高宽谱高功率微波辐射源的辐射因子,提出采用双路同步输出的宽谱谐振器驱动2×2宽带高功率贴片天线阵的技术思路。设计了一种双路同步输出的宽谱高功率脉冲谐振器,由两个同轴谐振腔尾尾相连,并共用一个环形对地开关,实现两路宽谱脉冲的同步产生与输出,通过对"T"形充电结构进行优化,使输出宽谱脉冲幅值达到充电电压的0.89倍。2×2宽带高功率单层贴片天线阵采用气体基底和单层贴片结构以降低重量,单层贴片设计为E形以拓展工作带宽,通过对天线阵几何参数进行全局优化,优化后的天线阵百分比带宽为47%(驻波比VSWR小于2),中心频率300 MHz的增益为11.8dB。对天线阵工作过程中的电场强度分析表明,在天线罩内填充105 Pa的SF6气体时,理论功率容量可达到7.4GW。对整个辐射系统的电性能进行了仿真分析,系统的理论辐射因子可达谐振器充电电压的2.8倍。     

L波段高功率波导缝隙阵设计与数值模拟

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统,系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量,天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板,除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明,设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时,增益为22.7 dBi,天线口径效率为98.3%,反射系数为-25 dB,带宽达到5%,带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2。系统功率容量达到1.92 GW。     

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。     

电-磁振子组合型宽带高功率微波辐射天线仿真与设计北大核心CSCD

为了满足宽带高功率微波辐射系统紧凑化的需求,设计了一个口径面尺寸为20cm×20cm 的电 磁振子组合型天线,采用三维全波电磁场仿真,得到该天线在0.3～1.7GHz 带宽内的驻波比小于3,且在此带宽内天线增益均大于2.仿真分析了该天线结构的尺寸、电流环长度以及天线开口角度对电 磁振子组合型天线阻抗带宽和增益的影响.在此基础上,给天线馈入峰值为226kV 的宽带信号,仿真得到天线的最大辐射因子为150kV,等效峰值功率为358.8 MW,辐射效率约70.6%.仿真结果表明：组合振子天线能够满足宽带高功率微波的辐射要求,同时满足辐射系统紧凑化和高辐射效率的要求.     

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。     

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°。     

高功率宽频比C/X双频反射阵列天线设计

为了满足高功率微波系统对宽频比双频辐射天线的研究需求,提出了一种可工作在C/X双频段的高功率圆极化反射阵列天线。天线单元采用介质埋藏的贴片单元形式,贴片部分由外圈的椭圆环贴片嵌套内圈的椭圆贴片组成,分别实现低频（C波段）和高频（X波段）的辐射。这种嵌套式的单元形式使得天线可以实现较宽的频比,同时由于单元采用无突变结构且单元被埋藏在介质中避免了三相点的出现,从而具有较高的功率容量。高低频段的两种贴片都采用绕轴旋转的方式来调节反射相位,可以在反射损耗较小的基础上满足360°的反射相位调节。基于以上双频辐射单元设计了一个口径尺寸为400 mm×400 mm的20×20矩形栅格排布反射阵列天线,设计结果表明天线在4.3 GHz下的增益为22.2 dBi,口径效率为40.2%,常压空气中的功率容量为10.4 MW;在10.4 GHz下的增益为29.9 dBi,口径效率为40.5%,常压空气中的功率容量为12.2 MW。该天线高低工作频率的频比达到2.4,且具有高效率和高功率容量的特点。     

Analysis and design of optically transparent antenna on photonic band gap structures

An optically transparent microstrip patch antenna is designed on photonic bandgap structures and its radiation characteristics are computed and analyzed in the visible spectrum region. The proposed antenna consists of indium tin oxide, a transparent conducting material used both as a radiating patch and a ground plane separated by the 5 μm thin glass substrate. The introduction of periodic cylindrical air cavity structures in the glass substrate leads to the formation of photonic band gap. The patch thickness is carefully selected based on the analysis of the optical transmission coefficient with respect to patch thickness. The effective dielectric constant of the photonic band gap loaded glass substrate is computed using the effective medium approach. The refractive index of the proposed antenna is presented and discussed. The radiation efficiency of the antenna is shown to improve significantly due to insertion of proposed photonic band gap structures. The proposed design has yielded a bandwidth of 2–2.3 THz for a return loss (S₁₁) of less than −15dB and achieved a peak gain of 4.97dB at 2.27 THz.     

W波段基片集成波导缝隙阵天线的研究

介绍了一种低成本高效率的W波段4×4基片集成波导(SIW)缝隙阵天线。天线阵为双层结构,上层为辐射层,采用宽边纵向偏移缝隙驻波阵,可以实现高的辐射功率,下层为馈电层,采用SIW串联缝隙馈电方式,减小了传统功分网络带来的传输损耗和实现难度。对天线阵进行了优化设计,采用标准低成本PCB工艺制作了天线阵实物样品并进行测试。测试结果与仿真结果吻合较好,天线阵在94 GHz时,最大增益为16.8 dB,反射系数-30.1 dB,-10 dB带宽为92.6~96 GHz,副瓣电平19.5 dB,天线阵口径效率为83%。     

基于双层介质的宽轴比波束微带天线

为了展宽微带天线的3 dB轴比波束宽度(ARBW),提出采用双层介质基板结构与单点同轴线馈电、引入切角微扰和半圆槽的方式,设计出一款小型化宽ARBW的圆极化微带天线。该天线的尺寸可用中心波长(0)表示为0.40800.40800.0360,工作频率可覆盖IEEE 802.16e(3.5 GHz)频段。利用基于有限元法的仿真软件(Ansoft HFSS15.0)对天线进行优化设计,获得天线3 dB ARBW为230~255,电压驻波比(VSWR)小于2的带宽为290 MHz,峰值增益在3.5 GHz为4.11 dB。测试结果与仿真结果基本一致,表明采用该结构和设计方式可以展宽天线的ARBW。     

Analysis on effect of low dielectric permittivity on indium-doped tin oxide based optically transparent terahertz patch antenna

Indium-doped tin oxide based optically transparent rectangular patch antennas are designed to resonate at 750 GHz; one on the glass substrate and the other on the polyimide substrate. Characteristics of both the transparent antennas such as impedance bandwidth, radiation efficiency, directivity and gain are analyzed and compared. Polyimide substrate has a lower dielectric permittivity than the glass substrate. The effect of low dielectric permittivity substrate on the radiation characteristics of the terahertz transparent patch antenna is analyzed. The transparent antenna on polyimide substrate is shown to have gain greater than 3.97dB in 714–795 GHz. The proposed transparent antennas are designed and simulated by using finite element method based electromagnetic solver, Ansys–HFSS.     

宽带高增益双层硅基MEMS微带天线阵列

针对传统微带天线带宽窄和增益低等问题,设计了一种易与射频（RF）前端集成的硅基微带天线。该天线设计结合MEMS工艺,将高阻硅和低阻硅通过键合工艺形成双层硅基底,来改善微带天线介质基板的等效介电常数,有效增大了天线的带宽。同时通过在地面引入缺陷地结构（DGS）,有效的抑制谐波的产生。在此基础上设计了中心频率为10 Hz,22天线辐射阵列。仿真结果表明,天线相对阻抗带宽达到15.9%,增益超过10.9 dB,比传统微带天线有明显提升,同时满足引信中天线抗干扰的要求。     

基于缺陷接地结构的太赫兹双频微带天线

提出了一种工作在太赫兹频段的双频微带天线。在普通矩形微带天线的基础上,在辐射贴片上加载45°和135°的矩形贴片增大辐射面积,增大高频谐振点处阻抗带宽。通过引入缺陷接地结构使得天线在接地板处的电流路径改变,并与辐射贴片相互耦合,从而实现双频特性。为提高天线增益,在辐射贴片边缘加载若干寄生矩形贴片,并增加了寄生贴片处的基板厚度。该款天线可以同时在520 GHz(508~532 GHz)和680 GHz(581~766 GHz)的频段下工作,其中高频段的相对带宽达到了27.5%,最大增益达到了3.54 dB和4.11 dB。该双频天线结构相对简单,各项性能指标稳定,对于工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统具有一定的应用价值。     

高功率椭圆形柱面介质透镜天线阵的设计

设计了一种椭圆形柱面透镜天线阵列。为改善天线的辐射性能,考虑到高功率应用中的高压击穿问题,提出在横截面为椭圆形组合矩形的天线罩内填充变压器油的方法,并将三元刀型天线阵列密封其内,形成介质透镜天线阵。利用椭圆的几何聚焦能力和介质的缩波效应,提高天线阵列的主瓣增益,并增加天线阵列的电尺寸。通过调整天线阵列的单元间距,相较于不加透镜的阵列结构,该结构的轴向远场电压峰峰值增加41%,远场辐射波束宽度变窄,前后比也得到改善,且增益提高了4.96 dB,功率容量提高338倍,达9.63 GW。     

24 GHz宽波束阵列天线的设计

利用Rogers 5880为介质材料设计了一款应用于车载防撞雷达前端的圆极化微带阵列天线,该阵列天线采用直线阵结构,运用了多个四分之一波长阻抗变换器实现了阻抗匹配。仿真和测试结果表明: 该阵列天线的阻抗带宽(S₁₁ < -10 dB)为23.45~25.65 GHz,最大增益为15.54 dB;轴比带宽24.56~25 GHz,轴比最小为1.25 dB;第一副瓣电平小于-20 dB,E面半功率波瓣宽度为10°,H面波瓣宽度为75°,其尺寸为70.94 mm×14.72 mm×0.508 mm。该天线具有高增益、低副瓣、体积小、性能稳定等优点,在汽车防撞雷达系统中有广阔的应用前景。