【摘要】：隨著新型電磁材料的發(fā)展,有關人工磁導體(Artificial magnetic conductors:AMC)和頻率選擇表面(Frequency selective surface:FSS)等結構的研究和它們在天線上應用已經成為微波領域的研究熱點之一。本文主要對AMC表面用于天線實現(xiàn)低剖面、AMC表面用于降低目標雷達散射截面(Radar Cross section:RCS)從而實現(xiàn)隱身、以及多頻段FSS作為反射面天線的副反射面等方面來展開研究,設計了基于AMC的低剖面寬頻帶縫隙天線和蝶形天線以及縫隙天線陣列和蝶形天線陣列、可有效降低RCS實現(xiàn)目標隱身的寬頻帶AMC陣列以及FSS作為副反射面的多頻段反射面天線。為驗證設計的可行性和仿真結果的準確性,筆者還對上述天線進行加工并測試其特性。筆者主要的研究內容可概括為:1.對AMC的同相反射相位特性進行了研究,并設計了以AMC結構作為接地板的低剖面寬頻帶縫隙天線。首先在輻射縫隙上加載改進的C形枝節(jié),提出了一個寬頻帶共面波導(CPW)饋電的平面縫隙天線;然后,提出了一個覆蓋縫隙天線工作頻帶的寬頻帶AMC表面,將其置于縫隙天線下方作為接地板,在實現(xiàn)低剖面的同時改善其阻抗匹配以及輻射特性。從測試結果可以看出,此天線的工作頻帶是7.64-14.58GHz(62.47%),最高增益可以達到10.26dBi,并且此縫隙天線還具有較高的前后比特性和低交叉極化特性。基于此縫隙天線,設計了工作在X頻段1×8的縫隙天線陣列,陣列的阻抗帶寬為8-11GHz,電性能較好。2.根據AMC的同相反射相位特性,提出了兩種基于AMC結構的寬帶低剖面高增益蝶形天線。首先,通過不同的枝節(jié)加載,提出了兩種工作在不同頻段的寬頻帶蝶形天線;然后根據它們的工作頻帶,設計了覆蓋蝶形天線工作頻帶的兩種不同的AMC陣列作為接地板。此外,為了進一步提高低剖面蝶形天線的增益,并減小旁瓣和后瓣,在兩個AMC接地板的周圍加載一圈金屬圍欄。測試結果表明,此兩種蝶形天線均具有寬頻帶低剖面并且高增益特性。基于WiMAX頻段蝶形天線,設計了4×4的蝶形天線陣列,陣列的阻抗帶寬為2.4-3.6GHz,具有較好的性能。3.利用不同AMC單元之間的相位差特性,研究了AMC陣列實現(xiàn)減縮RCS的方法,并設計了兩種用于減縮RCS的AMC陣列。首先,提出了一種單層的AMC陣列,在11.6-28.1GHz頻段內實現(xiàn)了兩單元間有效的相位差(143°-217°)特性,單元按照風扇形排列,增加不同單元模塊之間交界邊,從而增加兩者的干涉特性,可以更有效的將能量散射到雷達探測不到的方向上;然后,提出了一種雙層結構的棋盤式AMC陣列,利用中間的空氣層,使兩單元的相位曲線變化平緩,從而獲得94.06%的相位差帶寬,并將其進行棋盤式排列形成具有寬帶RCS減縮特性的AMC陣列。測試結果與仿真結果的一致性表明,此兩種AMC陣列均可用于寬頻帶內實現(xiàn)隱身。4.研究了多頻FSS以及多頻反射面天線的設計方法,利用FSS來作為副反射面,反射面天線可允許兩個不同頻段的饋源同時工作,實現(xiàn)頻段復用。提出Ku/K/Ka三頻段FSS來作為反射面天線的副反射面,在Ku頻段內反射電磁波,在K和Ka頻段內實現(xiàn)透射,采用方環(huán)與六邊形環(huán)和六邊形貼片相結合的單元結構實現(xiàn)在每個頻段內的寬頻帶特性,多層FSS結構的設計保證斜入射角和極化的穩(wěn)定性,以及在多頻段內的低損耗特性。接著,對Ku頻段和K/Ka頻段軸向槽波紋喇叭進行設計,實現(xiàn)了低交叉極化以及旋轉對稱的主極化方向圖,作為反射面的兩個饋源。最后,研究了多頻帶反射面天線的設計方法,將K/Ka頻段饋源置于反射面天線的焦點處,FSS放在反射面與焦點之間,Ku饋源位于K/Ka饋源關于FSS對稱的位置,使得K/Ka頻段饋源發(fā)出的電磁波透過FSS入射到反射面,而Ku頻段的電磁波經FSS反射到反射面上,最后兩頻段的饋源發(fā)射到反射面上的電磁波再由反射面反射而發(fā)射出去。通過GRASP仿真軟件對多頻段反射面系統(tǒng)進行仿真,得到反射面天線遠場方向圖。從仿真結果可以看出,此多頻段反射面天線在Ku頻段內口徑效率高于55%,K/Ka頻段內口徑效率高于64%,基本滿足要求。
【圖文】：

目標雷達散射截面，實現(xiàn)目標隱身。本論文主要針對 AMC 作為人工地板以及實現(xiàn)目標隱身兩方面進行研究。圖1.1 文獻[11]中的 EBG 結構圖。（a）俯視圖；（b）側視圖；（c）等效電路示意圖a．AMC 作為人工地板在天線上的應用研究AMC 作為天線接地板來實現(xiàn)低剖面是 AMC 結構對傳統(tǒng)天線的性能進行改善的最廣泛的應用。在此領域 Fan Yang 與 Yahya Rahmat-Samli 等學者研究最早，主要把AMC 結構用于微帶天線實現(xiàn)低剖面方面[37-48]。由于同相反射原理，EBG 結構可以置于線天線下方極小的距離作為反射板使用，在不影響天線輻射效率的基礎上，還能抑制天線的表面波，F(xiàn)an Yang 等人于 2001 年在文獻[39]中提出，將 EBG 結構置于圓極化方形螺旋狀天線的下方用來實現(xiàn)低剖面特性，此時，，天線的高度只有 0.06λ。2003年，在文獻[40]中

[41]。圖1.2 文獻[39]、文獻[40]和文獻[41]中的天線結構2005 年，Alexandros P. Feresidis 等人提出使用單層無過孔的 AMC 結構，并利用諧振腔模型設計出高增益印刷天線[42]。采用射線理論，設計出新型的諧振腔模型來分析 AMC 結構。然后提出新型帶有部分反射表面的高增益微帶貼片天線，將 AMC 作為其接地面來實現(xiàn)低剖面，使腔體的厚度減小將近一半。另外，Alexandros P. Feresidis等人也提出此結構的天線設計的近似解析公式。然而，EBG 本身的諧振屬性，導致此種結構的帶寬不能達到較寬的水平
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN820;TB34

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本文編號：2598929