基于超材料的低频高增益阵列天线设计-毕业论文.docx

摘 要：本文对全向天线的增益性能进行了研究，设计了一种高增益天线，工作在频率大约为2.4GHz，当它在工作频率范围内工作时，天线的驻波比小于2。同时，本文分析了高增益天线的基本原理、阵列结构以及加载技术，通过改变阵列间加载间距的大小，压缩在水平面的方向图。本设计主要通过有限积分法的电磁仿真技术来实现，并通过CST仿真技术得到天线的方向图和回波损耗的相关数据，进而构建天线的实验模型，仿真比较了影响天线特性的几个因素，从而得出一些结论。通过制作实物模型，并用矢量网络分析仪测出数据，验证仿真结果的正确性，表现出的结果具有较好的一致性，天线的高增益性能得到了验证。 超材料是一种特殊的结构材料,它的特殊之处在于人工合成即是自然界中不存在的一种材料，所以与自然界中固有材料相比，它有很多固有材料都没有的独特性质。现如今，超材料在很多方面发挥了巨大作用，例如增强天线性能、电磁隐身等。 在机载雷达中最重要部件之一便是高增益天线，而低频段雷达比较擅长探测隐身目标，而在P波段（米波频段），物理口径与天线阵增益难以同时达到理想效果。因此，针对P波段的高增益阵列天线兴起了越来越多的研究。人们发现，将超材料加载到天线上可以提高天线增益，通过研究实践后，结果天线的增益确有提高。但这种增益主要是针对高频单一天线，然而这类天线用超材料改良后，使得天线的占用面积增大很多。对于在P波段（米波频段）的低频高增益阵列天线，仍缺少理论依据和实践成果。在本文中，我们设计了一种一维阵列天线，当它在P波段下工作时，通过加载超材料使其实现高增益，即在此背景下展开了研究。 1.高增益全向天线的特点和实现方式 1.1单极子天线，偶极子天线 偶极天线和单极天线的实用范围很广，在通信、广播、电视、导航、雷达、遥测以及遥感等工程系统中均有涉足。它们从长波到微波波段都可应用，而且不仅可以单独工作，也可充当阵列天线的一个独立阵元，还可以作部分天线的某些结构，总体来说它们比较简单且容易制作。 一般地，具有对称双臂的天线即为偶极天线，亦称“振子天线”、“对称振子”，所以也可以说它是一种中心馈电的对称振子。如果天线拥有不对称双臂，则称之为不对称天线，例如不对称偶极天线和单极天线就是典型的不对称天线。当单极天线的底是无限大理想导电平面时，则可用镜像法求它的电参数（例如单极天线的输入阻抗等于同结构尺寸的偶极天线的一半），对地面以上半空间而言，其方向图也是相同的。 图1-1 无限大理想导电平面接地直立单极天线无限大理想导电平面上（接地）直立单极天线如图 图1-1 无限大理想导电平面接地直立单极天线 1.2 螺旋电感加载天线 1.2.1加载天线 加载天线的类型有多种，我们可通过元件与天线的加载方式，将之分为串联和并联两种加载，而这两种加载方式还可细分为三种类型，分布型、集中型和混合型。 其中串联型分布加载天线的特点是其电流与天线中连续分布的轴向场强成比例。我们可以利用电阻棒来制作这类天线，例如在介质棒上均匀敷上碳膜，使它的内阻抗有规律的分布，在接通电源后，天线电流呈现行波分布，它们有较宽的阻抗带宽。 串联型集中加载天线的特点是天线的某两点间有一个集中的加载元件，譬如在线天线的某两点间插入集中的电阻、电感或电容等。如下图所示： 图1-2 天线中加入电阻 图1-2 天线中加入电阻 并联型分布加载天线的特点是在它的加载处的电流大小与径向场强成一定比例，电流的方向与天线轴垂直。这类天线比较简单的一种便是在表面上敷上介质涂层的天线。 我们把并联型分布加载天线中的加载压缩为一个非常小的部分，其他结构不变，则此天线就成为并联型集中加载天线。例如，我们将一个薄金属圆片加载于天线上并与天线轴垂直就是一种简单的并联型集中加载天线。 1.2.2 电感线圈的几个重要参数 1、电感量L 电感量L是电感线圈的固有属性，不随其他参量（如电流）的变化而变化。它以特定名称标明，在线圈上一般没有单独针对电感量的标示。 2、感抗XL 当线圈有 交流电通过时，线圈会产生电感，而产生的电感会对交流电有一定的阻碍作用，这种阻碍作用即感抗XL，它与电阻的单位一样都是欧姆。 3、品质因数Q 在一定频率的交流电下工作的回路中感抗XL与其等效损耗的电阻之比定义为Q，即：Q=XL/R。 1.2.3 电感加载单极子天线的特点 给天线加载后，可使它的电流在一定范围内呈行波分布，从而使其在输入阻抗和辐射方向图等方面呈宽频带特性。对于电感加载天线，虽然没有显著改善它的宽带性，但在效率、定向性及增益等方面的性能有所提升。 电感加载单极子天线在几何结构上进行了改良，有效解决了物理口径与天线阵增益的矛盾。与轴式螺旋天线相比，在减缩尺寸四分之三的情况