定频波束可调微带漏波天线的研究

定频波束可调微带漏波天线的研究

内容简介：近年来，电控波束可调天线(智能天线)技术得到了充分的发展，在雷达系统以及微波通信方面都有广阔的应用前景。但传统的智能天线体积庞大，馈电系统和控制系统复杂。微带漏波天线就以其低剖面，易于匹配以及频扫特性越发受到重视。1979年，W.Menzel首先指出了可以利用微带在高阶模时的泄漏特性制造天线，但此时对此类天线的理论研究还处于起步阶段。直到1987年，OlinerA.A.完整地阐述了微带在第1，2，3高阶模下电波传输特性，以及使用横向谐振法计算了漏波天线不同高阶模下的漏波传播系数kz=α+jβ，微带漏波天线的理论体系才得以完善。随着对微带漏波天线研究的深入，其在雷达防撞和汽车定位方面得到了广泛的应用。微带漏波天线近年来在通信领域越来越受到重视。微带漏波天线具有低剖面，重量轻，电控波束扫描等优点，在微波通信以及雷达防撞等领域得到了广泛的应用。微带漏波天线工作于第一高阶模时，产生空间漏波辐射，其主波束方向依赖于工作频率，具有电控频扫特性。微带漏波天线频扫特性在于当工作频率改变的时候，微带天线的电长度也随之改变，从而使微带线上各点相位发生变化，形成的主波束发生偏转。遗憾的是，对个人通信来说，通信频率是给定的，无法利用微带漏波天线的频扫特性。但从微带漏波天线的工作原理来看，当频率不变时，仍然有其它参数影响天线的主波束方向，因此，如果寻找和证明了天线的某个参数可以实现天线主波束方向的电控可调，则微带漏波天线完全可能满足下一代移动通信系统对终端机(手机)用智能天线的苛刻要求，成为一种具有巨大市场潜力的天线产品。本论文的工作重点在于设计一种可以实现频率固定波束可调的微带漏波天线。首先使用时域有限差分法对微带漏波天线进行数值仿真，得到了微带漏波天线TE01模下的电场分布，对微带漏波天线的电波传播特性进行初步的讨论。提出新的经验公式计算微带漏波天线漏波传播系数，所得漏波传播系数曲线与实测数据以及比较数据十分吻合。作为频固波束可调的微带漏波天线设计的前期准备工作，对双端口馈电微带漏波天线的辐射特性进行了理论研究。通过改变微带漏波天线两端馈电端输入电流相位差，可以使微带漏波天线的主波束形式在单双波束扫描形式之间转换。仿真结果符合设计预期。而且发现了双端口馈电微带漏波天线的一种新特性，该特性可望应用于实现微带漏波天线频率固定下的主波束扫描。在理论上提出了一种崭新的带移相器双端口馈电微带漏波天线，实现了频率固定下的相控微带漏波天线主波束扫描。通过控制微带漏波天线末端馈电端口移相器，其输入电流激励相位发生变化，实现工作频率固定下微带漏波天线主波束扫描。当工作频率为7GHz时，微带漏波天线主波束扫描范围可以达到约21°。通过改良天线的馈电结构，实现了频率固定下的相控微带漏波天线双向主波束扫描。通过控制微带漏波天线中部馈电端口移相器，成功实现了工作频率固定下微带漏波天线主波束扫描，并使用电子开关实现微带漏波天线主波束双向扫描。当工作频率为7GHz时，在微带漏波天线法线右侧，主波束扫描范围约为41°至63°；在微带漏波天线法线左侧，主波束扫描范围约为117°至138°。本论文提出了一种崭新结构的多端口馈电微带漏波天线，成功地实现了频率固定下的电控天线主波束逐级可调。通过理论仿真以及实验验证，在工作频率固定的情况下，通过控制多端口馈电微带天线上的馈电端口，使微带漏波天线主波束方向发生偏移。实验数据与理论仿真吻合较好，实验结果表明，当工作频率固定为1.12GHz的情况下，主波束扫描范围可以达到约50°至80°。针对天线主波束只能在法线一侧扫描的缺陷，提出了一种新型的双端口馈电微带漏波天线，实现了频率固定下的天线主波束双向电控扫描。在工作频率固定的情况下，通过控制双端口馈电微带天线上的中部馈电端口位置，使微带漏波天线主波束方向在法线两侧同时发生偏移。仿真结果表明，当工作频率固定为7GHz的情况下，在H平面上，法线右侧主波束扫描范围约为37°至57°，法线左侧主波束扫描范围约为125°至143°。利用阵列天线原理，通过一种崭新结构的微带漏波阵列天线也实现了频率固定下主波束逐级可调。通过理论仿真确定阵列天线结构参数。实验表明，在工作频率固定的情况下，通过分流器控制微带漏波天线阵元是否馈电，使微带漏波天线主波束方向发生偏移。实验结果表明，当工作频率固定为1.12GHz的情况下，主波束扫描范围可以达到约42°到58°。最后针对微带漏波天线尺寸过大的问题，在微带漏波天线上应用缝隙技术。应用时域有限差分法(FDTD)对的微槽线漏波天线进行分析，直观地得到了微槽线漏波天线内部的电场分布。提出了一条有效的经验公式，成功地计算了微槽线漏波天线的漏波传播系数，与实验数据吻合较好。比较了不同缝隙宽度和微带宽度对微槽线漏波天线性能的影响。证明了在微带漏波天线上开缝可以有效地减少天线尺寸及降低天线的工作频率。本论文的研究得到国家自然科学基金(60571036)和广东省自然科学基金(001171，04009740)的资助。

作者：李元新,

关键词：微带漏波天线, 频率固定波束, 时域有限差分法, 智能天线, 微波通信,