W波段反射陳列天線設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯

1、電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 吳斌指導(dǎo)教師：李浩副教授 W波段反射陣列天線設(shè)計(jì) 2015年6月9號(hào)2011 畢業(yè)設(shè)計(jì) University of Electronic Science and Technology of China目 錄一選題依據(jù) 課題目標(biāo) 相關(guān)原理 天線單元的仿真優(yōu)化University of Electronic Science and Technology of China小口徑W波段平面反射陣列天線設(shè)計(jì) 反射陣列天線的測(cè)試論文特色三一四五五二六選題依據(jù)一University of Electronic Science and Technology of China一1. 平

2、面反射陣列天線相比傳統(tǒng)拋物面天線和相控陣天線有很多優(yōu)點(diǎn)University of Electronic Science and Technology of China結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且反射面為平面，便于加工制造和運(yùn)輸，只需要對(duì)饋源進(jìn)行饋電，不用設(shè)計(jì)復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)；可以獲得較高增益制造成本相對(duì)較低W波段平面反射陣列天線由于頻率較高,采用的理論較為復(fù)雜。University of Electronic Science and Technology of China2. W波段平面反射陣列天線自身存在一些缺點(diǎn)加工難度大,國內(nèi)外的研究較少。平面反射陣列天線的單元難以實(shí)現(xiàn)寬頻帶二University of E

3、lectronic Science and Technology of China課題目標(biāo)本課題的目標(biāo) 本課題的設(shè)計(jì)一種新型寬帶單元，優(yōu)化其參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較寬的相位動(dòng)態(tài)范圍和較低的相位誤差敏感度。基于所設(shè)計(jì)的寬帶單元的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)中心點(diǎn)94Ghz增益大于37db，口徑效率大于40 ，4Ghz帶寬范圍內(nèi)增益跌落小于2db的反射天線陣列。三University of Electronic Science and Technology of China相關(guān)原理University of Electronic Science and Technology of China如圖，平面反射陣天線由饋源和平

4、面反射陣列組成。反射陣列天線通過陣列的各個(gè)單元進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。饋源輻射在平面周期反射陣面上，改變陣面上各個(gè)單元結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償相位，以使得反射波在預(yù)定輻射方向上的垂直面上實(shí)現(xiàn)等相位疊加。得到較高的增益。反射陣列原理平面反射陣列天線的工作原理一.University of Electronic Science and Technology of China1.移相單元的選擇平面反射陣列天線的是依靠反射陣單元進(jìn)行相位修正，設(shè)計(jì)合理正確的單元形式是此類天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的移相單元主要有以下幾種平面反射陣列天線的結(jié)構(gòu)分析University of Electronic Science and Techn

5、ology of China枝節(jié)型單元的反射陣天線，是通過改變單元末端加載的傳輸線枝節(jié)的長度來修正各單元的相移量。傳輸線枝節(jié)是作為一個(gè)移相器的作用而存在的。各個(gè)單元具有長短不一的枝節(jié)傳輸線來控制反射波相位。這種單元結(jié)構(gòu)既能用于實(shí)現(xiàn)圓極化也能用于實(shí)現(xiàn)線極化。(1).枝節(jié)型單元枝節(jié)型單元University of Electronic Science and Technology of China旋轉(zhuǎn)型單元主要是應(yīng)用在設(shè)計(jì)圓極化平面反射陣天線，調(diào)整每個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)角度，來補(bǔ)償各單元對(duì)中心單元反射波的相移量，從而使各單元的反射波束在天線主輻射方向上獲得等相位面，形成各波束相疊加。(2). 旋轉(zhuǎn)型單元旋

6、轉(zhuǎn)型單元University of Electronic Science and Technology of China尺寸型單元即是通過改變單元電尺寸的大小來實(shí)現(xiàn)相位修正補(bǔ)償， 尺寸型單元結(jié)構(gòu)不需要像枝節(jié)型單元一樣加載傳輸線，因此貼片的輻射效率較高且交叉極化性能也較好。另外，尺寸型的各個(gè)單元僅是電尺寸大小不一，可以使用光刻腐蝕技術(shù)加工，加工也較為簡(jiǎn)便。所以本項(xiàng)目使用本項(xiàng)目使用尺寸型作為移相單元(3).尺寸型單元尺寸型單元四天線單元的仿真優(yōu)化University of Electronic Science and Technology of ChinaUniversity of Electro

7、nic Science and Technology of China用HFSS建立的主從邊界法模型示意圖反射陣單元及其參數(shù)模型示意圖單元的結(jié)構(gòu)University of Electronic Science and Technology of China參數(shù)h對(duì)單元相移曲線的影響基片厚度越大，相移范圍越小，但是其相移曲線的變化更加的平坦。因此在相位范圍滿足360的情況下，可以適當(dāng)增加介質(zhì)基片的厚度來獲得相對(duì)平滑的相位曲線。單元參數(shù)對(duì)單元相移曲線的影響University of Electronic Science and Technology of China參數(shù)g對(duì)單元相移曲線的影響隨著

8、十字和圓環(huán)貼片之間的間隔減少，其相位范圍增加。當(dāng)g=0.1mm時(shí)，單元的最大調(diào)相范圍可以到達(dá)500。 University of Electronic Science and Technology of China參數(shù)d對(duì)單元相移曲線的影響不同圓環(huán)寬度d對(duì)于單元相位曲線的影響如圖所示，d越大相移范圍越小d對(duì)單元相位特性的影響和g類似，d為0.1mm時(shí)，相位達(dá)到450左右。University of Electronic Science and Technology of China參數(shù)s對(duì)單元相移曲線的影響不同十字寬度s 對(duì)于單元相位曲線的影響如圖所示，s的變化時(shí)，僅僅是改變單元中十字部分的結(jié)

9、構(gòu)，所以s的改變僅僅是在十字結(jié)構(gòu)的諧振點(diǎn)附近產(chǎn)生輕微起伏，單元的相位變化區(qū)間范圍幾乎不變，只影響相移曲線后端的平坦度。University of Electronic Science and Technology of China對(duì)參數(shù)的整體分析設(shè)計(jì)天線時(shí)，只需要一段滿足360范圍且線性度較好的相位曲線即可。單考慮移相范圍，d、g、h越小約好，但由于單元結(jié)構(gòu)大小L是確定的(1.9mm)，d，g增加勢(shì)必會(huì)減少w的可調(diào)范圍，且d，g太小則會(huì)增加加工的難度。根據(jù)上述各參數(shù)對(duì)單元相移特性的影響，結(jié)合加工精度的要求，選擇最佳參數(shù)s=0.1mm，d=0.1mm，g=0.1mm，h=20mil，選取十字振子

10、w在0.25mm到0.95mm這一段變化時(shí)的相位曲線，此時(shí)相位范圍可以為400左右。University of Electronic Science and Technology of China單元的頻帶特性分析在平面反射陣天線設(shè)計(jì)中是利用在94GHz處的相移關(guān)系進(jìn)行相位修正的。但是，天線在工作中隨著頻率變化時(shí)，單元的相移曲線必然也會(huì)發(fā)生變化，那么之前在此基礎(chǔ)上所進(jìn)行的相位補(bǔ)償必然會(huì)引起一定程度的偏差。圖示為各參數(shù)不同頻率處的相位曲線，各曲線之間近似平行。當(dāng)頻率變化時(shí)，各陣列單元之間的相對(duì)相移量近似不變，可近似認(rèn)為頻率變化所產(chǎn)生的相位誤差不足以嚴(yán)重影響天線的性能，從而拓寬了反射陣天線的工作帶

11、寬。不同頻率處的相移特性曲線五小口徑W波段平面反射陣列天線設(shè)計(jì)University of Electronic Science and Technology of ChinaUniversity of Electronic Science and Technology of China反射陣陣面設(shè)計(jì)確定了單元的尺寸，就可以設(shè)計(jì)和仿真平面反射陣天線，反射陣天線結(jié)構(gòu)如圖所示， 、 確定后就可以確定饋源的位置University of Electronic Science and Technology of China確定了如上參數(shù)，就可以用Matlab矩面計(jì)算程序，計(jì)算出反射陣面中各個(gè)單元所需要的

12、補(bǔ)償相位量。然后根據(jù)單元相位與單元尺寸的相移曲線關(guān)系，插值出對(duì)應(yīng)單元的物理尺寸大小，陣面計(jì)算程序的計(jì)算框圖如圖所示。天線陣面計(jì)算程序的流程圖 University of Electronic Science and Technology of China0.5787 0.5739 0.5728 0.5756 0.5821 0.5918 0.60410.61810.63390.56510.55980.55870.5617 0.5687 0.57920.5926 0.6078 0.62430.55470.97810.97840.55120.55850.56960.58370.6000 0.6173

13、0.97840.97960.97990.97920.55220.56360.57820.59510.61300.97890.98010.98040.97970.55000.56150.57630.59340.61150.97840.97960.97990.97920.55220.56360.57820.59510.61300.55470.97810.97840.55120.55850.56960.58370.60000.61730.56510.55980.55870.56170.56870.57920.59260.60780.62430.57870.57390.57280.57560.5821

14、0.59180.6041 0.61810.6339插值得出的尺寸本課題中，基于前節(jié)中提出的W波段反射陣單元，設(shè)計(jì)一款中心頻率94GHz81個(gè)單元（9*9）的反射陣天線進(jìn)行仿真，驗(yàn)證單元的設(shè)計(jì)的正確性。主輻射方向?yàn)?，為增加反射效率及減少副瓣，饋源位于法線另一側(cè)且保證入射角為30。University of Electronic Science and Technology of China如圖為主輻射方向上的最大增益和頻率的關(guān)系曲線。從圖 中可以清楚地看到，仿真結(jié)果表明在90-100GHz(10.6%帶寬)頻率范圍內(nèi)的增益范圍，增益跌落小于1dB，其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)寬于傳統(tǒng)的單層天線的帶寬。小口徑天線

15、的設(shè)計(jì)實(shí)例，直接驗(yàn)證了反射陣天線設(shè)計(jì)的正確性及單元相移的精準(zhǔn)性。平面反射陣天線在不同頻率處的仿真增益六反射陣列天線的測(cè)試University of Electronic Science and Technology of ChinaUniversity of Electronic Science and Technology of China本課題用上文中提到到方法加工測(cè)試了一個(gè)口徑面大100mm134mm的反射陣列天線。圖6-1至6-4分別給出該反射陣天線在93-96GHz各點(diǎn)的歸一化的輻射方向圖。各頻點(diǎn)的輻射方向圖均能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的輻射方向，且波束增益高，波束尖銳，方向性好。其中，中心頻點(diǎn)

16、94GHz處，實(shí)測(cè)峰值增益為39.3 dB，波束寬度為1.7度左右，最高副瓣電平均低于-16 dB以下，口徑效率為51.75%左右。達(dá)到了課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)University of Electronic Science and Technology of China93GHz94GHz95GHz96GHz圖6-1圖6-2圖6-3圖6-4由圖可知，各頻點(diǎn)的輻射方向圖均能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的輻射方向，且波束增益高，波束尖銳，方向性好。其中，中心頻點(diǎn)94GHz處，實(shí)測(cè)峰值增益為39.3 dB，波束寬度為1.7度左右，最高副瓣電平均低于-16 dB以下，口徑效率為51.75%左右。University of Electronic Science and Technology of China圖6-5給出了92-98GHz范圍內(nèi)，反射陣天線實(shí)測(cè)的峰值增益，其最大增益為40.8 dB，最小增益為39 dB，在此頻帶范圍（8.5%的相對(duì)帶寬）內(nèi)增益跌落小于3 dB,保證了相對(duì)較好的寬帶性能。達(dá)到了課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 反射陣天線在各頻點(diǎn)處的實(shí)測(cè)峰值增益圖6-5七論文特色University of Electronic Science and Technolo