Ka波段全向阵列天线技术研究

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随着通信行业对高数据速率需求的日益增长,通常希望全向天线具有高增益、宽带宽的特点。波导缝隙天线因其功率容量大、损耗低、易于实现高效率、高增益等特点而被应用在众多需要设计高增益天线的领域,如雷达、遥感、航空航天等。但波导缝隙天线虽可以通过频带展宽技术来展宽带宽,却仍存在带宽较窄的缺点。而介质天线因其可能同时实现高增益、宽带宽的天线特性在近年来受到广泛关注。基于以上两点,本文设计了两个波导缝隙天线和一个介质天线,主要包括:一、基于金属波导的窄带高增益全向缝隙天线。(1)利用缝隙间距不为半波导波长时,电磁波在波导内呈行波状态,天线从而更容易获得较小驻波系数的原理,设计了一个谐振阵和非谐振混合的高增益波导缝隙全向天线。该天线通过在矩形波导上下宽面开设多个对缝来形成全向高增益方向图,并通过部分缝隙间距为λg/2和部分缝隙间距大于λg/2的混合阵列方式让天线在中心频率处谐振并且获得较小的S11值。从仿真和实测结果可以看出,天线增益在达到10d B的同时,天线在中心频率处的S11值为-27d B。与采用谐振阵设计方式的天线相比,采用谐振阵和非谐振阵混合阵列设计方式的天线,不用在输入端和输出端增加额外的阻抗匹配结构即可实现较好的阻抗匹配,在减少了仿真调试天线的工作量的同时,天线的结构也更加简单,体积也更小。(2)在上一个天线的基础上设计了一个带宽增强的高增益波导缝隙全向天线。利用波导中不同金属柱高度等效为相应电抗值大小的宽带阻抗匹配技术原理,通过在天线的馈电波导宽面中心线添加一个金属柱来使天线产生两个谐振点从而增强天线的带宽。最终,天线在S11<-10d B时的带宽展宽118MHz,在S11<-15d B时的带宽展宽244MHz。与在多个位置使用长度不一的金属柱来使天线产生一个谐振点的方案相比,这样的天线设计结构更加简单、易于制造。二、基于介质波导的宽带高增益全向天线。我们利用周期性漏波天线原理和周期性结构加载在介质波导表面时形成的方向图更加接近介质波导轴向的法向方向的特性,在介质圆波导表面加载多个金属圆环来实现天线的全向高增益。最终天线增益达到10d B,效率为88%,在整个仿真频带35GHz~37GHz内S11<-10d B。天线的长度比将金属环嵌入在介质波导内的天线长度减小约10mm。
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