毫米波宽带低副瓣波导缝隙阵列天线设计

本文提出了一种毫米波宽带低副瓣波导缝隙阵列天线。该天线分为上下两层,利用下层的功分器和反相器使电磁波从上层的辐射波导的两端向中心进行馈电,激励12个非均匀波导缝隙辐射单元。该天线呈中心对称结构,结构紧凑,并使得天线的方向图具有稳定性。在辐射波导中引入二阶短路金属阶梯,并且阵列的辐射单元采用非连续的双层缝隙,拓展了天线的工作带宽。所提出的加载二阶金属阶梯双层缝隙阵列天线的阻抗带宽达到16.3%(35.35~41.55 GHz),峰值增益为16 dBi,工作频带内天线的增益下降低于2.5 dBi,副瓣电平低于-20 dB。     

星载反射阵天线应用现状与发展趋势

反射阵天线具有平面结构、低成本、易于展开、灵活的波束形状等优点,兼具反射面天线和相控阵天线的若干优点.随着配备反射天线的ISARA、MarCO等立方体卫星相继成功在轨验证,反射阵天线的技术成熟度得以提升并且逐渐获得航天应用领域的认可.反射阵天线正在成为一种非常有潜力的高性价比星载天线形式.首先简要介绍了反射阵天线的基本原理、技术特点以及研究历程,其次重点介绍了星载反射阵的论证案例与在轨演示验证试验,最后归纳总结了星载反射阵天线未来的发展趋势,为我国后续开展星载反射阵天线技术应用提供技术参考.     

一种宽带天线单元及其在共形相控阵中的应用

提出一种工作频段较高、带宽较宽的共形相控阵印刷振子单元改进结构,并组成一个平面阵列和多个不同结构形状的共形阵天线,进行实验研究。通过对单元结构参数的仿真优化,得到一个频带较宽( 5 5 % )、法向交叉极化较大( >1 8dB)、单元增益较高( 7 7dB～8 9dB)的天线。这些实测结果与仿真结果吻合良好。并通过多种阵列的实验研究,得出了一些关于共形相控阵随阵列结构变化而变化的规律。     

一种Ku频段全向高增益天线设计

提出了一种工作于Ku频段的宽频带、高增益和H面全向的新型共面波导（CPW）的中心导体和左右地板交叉连接耦合馈电天线结构设计。csTMws。软件仿真结果表明,该结构在具有较小尺寸的同时,能够有效展宽工作频带和提高增益,并保持天线的全向性。利用CSTMWS。软件对天线表面电流的仿真,解释了天线具有宽带和全向高增益辐射的原因：终端加载的三角形单极天线引起CPW中心带条的电流为行驻波电流,使天线获得了较宽的阻抗带宽;10个天线辐射单元的表面电流近似等幅同相,使天线获得了全向高增益的性能。研制出了工作在Ku频段的CPW交叉连接耦合馈电天线并进行了测试。天线印刷于厚度为0．5mm的FR-4环氧树脂板上,其反射系数低于-10dB时的频带为12．4～13．5GHz,相对带宽达8．5％,H面全向最大增益为6．6dBi,表明测试结果与仿真结果吻合较好。整个天线的尺寸仅为81mm×6．1mm,可应用于Ku频段的通信系统中。     

一种轴对称平面反射阵天线的布阵方法

为了减少星载平面反射阵列天线设计所需的庞大计算量,提出了一种基于菲涅尔原理的新的天线布阵方法,该方法通过多种菲涅尔相位环带实现相位补偿,每一环带所用贴片单元一致。在此基础上设计了工作频率为94GHz,由4种菲涅尔相位环带组成的平面反射阵列天线。通过仿真计算,证明该方法合理有效,可应用于星载轴对称平面反射阵天线的设计。     

平面反射阵天线扫描特性的研究

对缝隙耦合平面反射阵天线的扫描特性进行了研究,给出了以弗洛盖模求解平面反射阵反射相位的理论思路。通过模拟计算得到了缝隙耦合微带贴片单元的反射相位曲线;计算了16元平面反射阵对平面波的波束扫描特性;具体设计了30个单元的平面反射阵天线。仿真结果证明平面反射阵天线可以实现±40°波束扫描。     

一种宽带高增益全向天线的设计

提出一种宽频带、高增益全向天线的实现方法,分析其工作原理,给出设计参数和实测结果。天线在3GHz～18GHz频带内,电压驻波比小于2,实测增益在0dBi～11dBi范围内波动,最大实测增益为10.52dBi,平均增益4.88dBi,不圆度小于±4dB。测试结果显示,天线具有良好的电特性,可以广泛应用于通信和环境监测领域。     

Ka频段有源瓦片天线的设计

有源相控阵天线广泛应用于弹载、星载、舰载、机载雷达及电子对抗、汽车自动驾驶等领域。按照T/R组件和天线的集成方式不同,相控阵天线分为瓦片式结构和砖块式结构。传统的砖式结构,多路合成体积过大、损耗过高且造价昂贵,采用微组装工艺生产,量产良品率低。介绍了一种瓦片式有源天线,给出了天线样机的典型性能指标,工艺实现简单,具有轻型化、小型化、低成本及高可靠等特点。针对瓦片天线设计中的难点、垂直互联技术和复杂的馈电网络,结合理论分析进行了仿真设计。为了验证相控阵天线的性能,在微波暗室对天线进行了测试。测试结果表明,设计的瓦片天线法向EIRP＞31dBW,G/T＞-4dB/K,扫描至45°时EIRP＞29dBW,G/T＞-6dB/K,发射状态功耗小于10W,接收状态功耗小于6W。     

超宽带矩形微同轴平面对数周期天线

在宽带电子系统轻量化的需求下,基于MEMS矩形微同轴技术设计了10 GHz～50 GHz的超宽带平面对数周期天线。天线采用三节矩形微同轴阻抗变换实现160Ω到50Ω的宽频带阻抗匹配,并通过矩形微同轴转共面波导进行馈电。为展现微同轴的馈电优势,验证设计的微同轴平面对数周期天线性能,制备了50Ω矩形微同轴传输线和天线实物并进行了测试。实测结果表明,在10 GHz～50 GHz频段内,矩形微同轴传输线传输损耗<0.22 dB/cm,两根间隔0.15 mm的矩形微同轴传输线间隔离度>60 dB。天线实测反射系数<-8 dB,增益>4 dBi,增益波动<1.6 dB。     

基于平板波导的双频双极化CTS阵列天线设计研究

针对卫星通信天线轻量化和辐射孔径复用等需求,对双频段双极化连续切向节（Continuous Transverse Stub,CTS）阵列天线进行研究。天线采用正交共口径设计,结合标准波导接口的带通滤波器和独立功分馈电网络实现了高极化隔离度特性;通过对枝节辐射能力控制和天线阵列设计,达到了兼顾增益特性的同时降低旁瓣电平的目的。仿真结果显示：天线分别在18.5～21.2 GHz和27.5～31 GHz两个频段内回波损耗小于-10 dB,旁瓣电平均小于-12 dB,端口隔离度优于80 dB,增益分别为24～27 dBi和25～27 dBi,结构简单,易于加工,剖面高度低,易于运输和共形安装。     

一种Ku波段双线极化宽频微带天线

文章介绍了一种Ku波段的双线极化微带天线单元设计。为了提高两馈电端口的隔离度,天线单元的耦合槽采用“H”形状且互相垂直。用商业应用软件IE3D对天线电特性进行仿真计算,并制作了实验模型。测量结果与仿真结果吻合良好。两馈电端口反射损耗>10dB,阻抗带宽分别为21.32%和22.13%,隔离度高于36dB。     

L波段全向天线研究与设计

在实际应用中,有时需要全向天线在水平面以上覆盖较广的空域,针对这一需求,文章提出了两种工作在L频段的波束上翘的全向天线。其中一种为使用同轴转平行双线结构进行馈电的串联印刷偶极子天线,且加入反射板保证波束上翘,实测结果表明该天线在工作频段内,电压驻波比(voltage stanting wave ratio,VSWR)小于1.5,水平面增益大于2dBi,俯仰角0°~70°(定义水平方向为0°)增益大于-7dBi,不圆度小于2dB。另一种为双锥天线,使用上下锥体不对称结构保证波束上翘,同时引入固定套环保证天线的稳定性。实测结果表明该天线在工作频段内,VSWR小于2,俯仰角0°~20°增益大于1dBi,俯仰角0°~70°增益大于-7dBi,不圆度小于2.5dB。该天线结构稳定,性能优良,可应用于车载通信或其他通信场景中。     

星载反射器天线用相控阵馈源的电气设计与制作

采用偏焦相控阵馈电反射器天线能实现电子波束再形成与波束扫描,可搭载在静止轨道卫星上用于移动卫星通信。本文介绍了这种相控阵馈源的电气设计;其31单元辐射阵和波束形成网络的制作;通过实验和分析验证了相控阵馈源电气设计的适当性。把这种相控阵馈源与口径13m的反射器天线组合后,证明可实现42dBi以上的覆盖增益,波束隔离达20dB以上。     

面向低轨卫星的双圆极化宽带宽角扫描阵列研究

随着卫星通信技术的日益成熟,相控阵天线被广泛应用于低轨卫星系统,提出了一种面向低轨卫星通信的新型双圆极化宽带宽角扫描阵列天线。阵列天线单元采用一种金属栅格加载的对称阵子,其工作宽带为17GHz~21GHz,相对带宽超过21%,同时金属栅格加载方法可有效展宽对称阵子波束宽度,从而在工作频段内使E面和H面波束宽度均超过140°。通过上述宽带宽波束对称阵子作为阵列天线单元,形成8×8的64单元阵面。然后,阵列天线单元经过旋转组阵,实现了双圆极化特性。由于天线单元具有宽带、宽波束性能,有效拓展了阵列波束扫描角度,即在不同旋向下,均能实现二维±60°的波束扫描。阵列在低频17GHz工作时,法向波束增益为18.2dB,当扫描离轴角为60°时,增益下降2.8dB,轴比小于2dB。在高频21GHz时,法向增益为19.6dB,当扫描离轴角为60°时,增益下降3.7dB,轴比小于3dB,具备良好的宽带宽角覆盖性能,从而在低轨卫星通信中具有广阔的应用前景。     

一种新型双频双极化微带偶极子天线

文章提出了一种适用于基站天线的新型双频双极化微带偶极子天线单元,采用改进的微带偶极子、附加耦合贴片以及对称平衡馈电的结构形式。用商业软件Ansoft对天线的电特性进行仿真计算,并制作了实验模型,测试结果和仿真结果吻合良好。天线在880MHz~960MHz的GSM(全球移动通信系统)频段和1 710MHz~1 880MHz的DCS(数字蜂窝系统)频段上的反射损耗均大于10dB,且在两个频段上极化互相垂直的两个端口的隔离度均大于31dB。     

用于可重构天线的高精密作动器研究

随着反射阵天线技术的不断发展,集成了高精密运动执行器的反射阵天线能够实现波束扫描,成为了一种新型天线的研究热点.为了便于集成及可工程化,要求执行器具有较小的体积、低功耗、快速响应、可靠性高,以及简单可控等.研究的执行器主要由压电双晶片和高精度微型齿轮组成.通过对一组双晶片交替电压载荷,执行器可以实现往复旋转.研究过程中,使用多物理场耦合有限单元法优化了执行器的结构及几何参数.通过精密机械加工技术实现执行器各组成部件的制备.双晶片由压电陶瓷和玻璃纤维材料制备而成.金属材料用于制备执行器的外壳和执行器中的微齿轮,并对制备的零部件进行装配,测试得出执行器的相关性能与设计结果对比基本一致.     

天线整流器协同设计的高灵敏度射频能量采集单元研究

面向物联网自供电传感节点的能量灵敏度受限于能量采集单元的灵敏度,本文基于天线 整流器协同设计方法,实现了一种面向无线传感及通信节点的高灵敏度,射频能量采集天线-能量采集芯片构成的单元,并进行了系统验证。整流电路采用TSMC 180nm CMOS RF工艺流片,定制弯折偶极子天线,两者适当的Q值下实现阻抗匹配,通过芯片整流电路和Q值的协同提升能量采集灵敏度。联合测试结果表明,在50MΩ等效电阻负载和电压为0.8V的情况下,量采集单元的最高灵敏度可达到-27.9dBm,结合和能量管理电路和储能器件,在36dBm发射功率下,自由空间下的无源通信距离可达40.55m。     

一种双层微带反射阵天线单元设计及应用

微带反射阵单元是组成微带反射阵的基本元素,其性能的好坏直接影响整个阵列的性能。针对微带反射阵天线带宽窄的问题,设计一种双层结构的圆环单元,研究不同结构参数对单元相位曲线的相移范围、平滑度以及谐振点位置的影响,并设计一个49单元的微带平面反射阵。仿真结果表明,此阵列频带宽,增益高,具有一定的工程应用价值。     

一种圆柱共形阵天线的仿真与设计

文章对一种x-频段的圆柱共形阵天线进行了仿真和测试。基于非相似元阵列天线理论计算了远场方向图,仿真设计了射频馈电功分器;测试了功分器的S参数,测量了天线的水平面方向图,测试结果与计算结果一致。     

基于可重构寄生阵列的封闭空间微波能量传输

针对航天器内部空间等封闭环境下电磁波的多径传播特性和阵列天线单元间的耦合效应,本文研究采用寄生阵列,通过控制寄生阵列单元负载的电抗实现高效率微波无线能量传输的方法。通过多端口微波网络建模,分析了寄生阵列天线方案相较于传统相控阵天线方案的能量传输性能和效率最大化机理。设计实现了基于射频开关切换的可调反射负载,并在此基础上形成了寄生阵列反射负载自动控制系统和传输效率优化程序。基于该系统和程序,在1m 边长立方体的金属边界封闭空间实验环境下,测试了不同单元数可重构寄生阵列无线能量传输的性能和快速优化方法。测量结果表明增加寄生天线单元数目能够显著提高能量传输效率,从而提供了可重构寄生阵列传能技术实用化的一种有效途径。