隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)以及衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展,對電子設(shè)備的性能的要求也越來越高。天線作為通信及導(dǎo)航系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備,其性能直接影響著系統(tǒng)的運行。天線的寬頻帶、寬波束、小型化等一直都是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),也是研究熱點。本文結(jié)合課題需求,對實現(xiàn)圓極化天線的一體化工作、寬波束、小型化、寬帶化以及寬帶陣列天線賦形等技術(shù)進(jìn)行了研究,并結(jié)合應(yīng)用設(shè)計了多款通信及導(dǎo)航系統(tǒng)的圓極化天線單元及陣列。本文的研究內(nèi)容由以下四部分組成:一、研究了展寬天線半功率波束寬度以及天線一體化工作的相關(guān)技術(shù),并根據(jù)某應(yīng)用平臺的通信系統(tǒng)要求,設(shè)計了可以覆蓋六個頻段的三組寬波束圓極化天線。(1).分析了各個頻段天線工作的極化方式以及輻射遮擋影響,確定了天線的組合以及布局形式;然后,根據(jù)最低頻率的UHF衛(wèi)通天線的指標(biāo)要求以及安裝環(huán)境,對比了雙頻內(nèi)外嵌套式四臂螺旋天線以及共面雙臂螺旋天線的優(yōu)缺點,最終選擇內(nèi)外嵌套式的四臂螺旋天線作為輻射單元,并設(shè)計兩個雙層的小型化功分器作為天線的饋電網(wǎng)絡(luò);(2).設(shè)計了一組L/S頻段的復(fù)合天線,二者皆為左旋圓極化,設(shè)計出了四饋的上下放置分布式天線,天線的旋向與極化的旋向相同,采用此種的天線形式可極大的降低天線的剖面高度,但是此種天線的波束寬度較窄,因此將上層天線的金屬支撐改為錐臺型,從而實現(xiàn)展寬波束寬度的目的。(3).采用等角螺旋及阿基米德螺旋結(jié)合的平面天線作為輻射體,并設(shè)計了一個寬帶的指數(shù)漸變線巴倫對其輻射體進(jìn)行饋電,實現(xiàn)了在直徑有限的空間下寬頻帶工作的目標(biāo)。所設(shè)計的三組天線在所需的工作頻帶內(nèi)駐波比都小于2,仰角25°以上增益均大于-5 dB,滿足設(shè)計要求。二、研究了天線的小型化、降低剖面以及展寬帶寬的技術(shù),并根據(jù)不同導(dǎo)航系統(tǒng)以及應(yīng)用平臺的需求,設(shè)計了三款不同性能的圓極化天線。(1).設(shè)計了一款可以應(yīng)用于北斗B3的寬波束圓極化天線,此天線巧妙的利用平行放置的對稱陣子,通過計算天線軸比隨陣間距的變化關(guān)系,優(yōu)化陣間距使得天線獲得到162°良好軸比波束寬度,通過彎折陣子進(jìn)一步展寬振子的半功率波束寬度至114°;(2).設(shè)計了一款分布式高效率低剖面圓極化天線,天線的輻射體為四個加載有短路銷釘?shù)恼叫谓饘倨?由于輻射體的間距較小,屬于緊耦合結(jié)構(gòu),可以使天線獲得較寬的阻抗帶寬,采用低損耗的串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò),使得天線在工作頻帶內(nèi)輻射效率達(dá)到96.5%,軸比帶寬為22.8%;(3).設(shè)計了一款可以覆蓋北斗B3頻段的小型化圓極化天線,通過采用虛短路技術(shù)實現(xiàn)天線的小型化以及采用電磁耦合饋電展寬天線的阻抗帶寬,最終天線的尺寸為0.11λ_0×0.11λ_0×0.068λ_0。三、研究了電磁耦合饋電以及提高天線增益的技術(shù),并設(shè)計了兩款用于車載的2×2寬帶圓極化陣列天線。(1).研究了現(xiàn)有的實現(xiàn)寬帶圓極化工作的技術(shù),并采用電磁耦合饋電結(jié)合寬帶交叉偶極子式的天線單元;然后,設(shè)計了一個2×2的天線陣列,天線單元采用寬帶的八邊形振子,并采用燕尾式饋電片進(jìn)行電磁耦合饋電,此天線陣列的阻抗帶寬展寬至57.1%,在此阻抗帶寬軸比均小于0.75 dB;(2).設(shè)計了一個高增益的2×2的天線陣列,天線單元采用寬帶的橢圓形振子,并采用魚叉式饋電片進(jìn)行電磁耦合饋電,在陣列的外圍加載了一個環(huán)形反射腔,通過增加天線的有效輻射面積,使得天線陣列增益大于10 dBic的帶寬增加至55.2%。四、研究了陣列天線的寬帶賦形技術(shù),并根據(jù)伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計了可以覆蓋其工作頻段的星載陣列天線。首先,設(shè)計了一款寬帶的圓極化天線,可以覆蓋伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)的三個工作頻段;然后,利用遺傳及粒子群混合算法對一個陣列天線進(jìn)行了陣列綜合,并實現(xiàn)了所需的方向圖指標(biāo)要求;根據(jù)算法優(yōu)化出的幅度相位分布設(shè)計了一個寬帶移相網(wǎng)絡(luò);最后,加工并測試了陣列天線樣機,其結(jié)果驗證了此陣列綜合方法具有可行性。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN828
【部分圖文】：

西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文4圖1.2 衛(wèi)星星座示意圖由于終端用戶在定位過程中，僅需接收發(fā)射機發(fā)射的信號，而無需主動發(fā)射信號即可確定終端位置，因此，系統(tǒng)的用戶數(shù)目是沒有限制的，同時導(dǎo)航系統(tǒng)的這一優(yōu)勢也降低了終端的成本，有利于導(dǎo)航系統(tǒng)的普及。時至今日，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由四大導(dǎo)航系統(tǒng)組成，包括美國的 GlobalPositioningSystem（GPS）系統(tǒng)、俄羅斯的 GLONASS 系統(tǒng)、歐盟的 Galileo 系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（CNSS）系統(tǒng)[2]。其中，中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)起步雖晚但發(fā)展迅速，其目前已發(fā)射 35 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，其星座包含 5 顆地球靜止軌道衛(wèi)星和 30 顆距地球表面 21150km 的中高度地球軌道衛(wèi)星

對于衛(wèi)星通信以及導(dǎo)航天線，天線的增益和輻射方向圖是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。圖 1.3 給出了導(dǎo)航天線所需的理想的輻射方向圖。圖1.3 導(dǎo)航天線的理想輻射方向圖如圖 1.3 所示，為了接收到更多衛(wèi)星信號，以及保證信號的穩(wěn)定性，要求衛(wèi)星導(dǎo)航天線的輻射方向圖在理想情況下為一個扇形，其中 θc稱為截止角度。在角度 0<θ<θc范圍內(nèi)，天線增益應(yīng)盡可能高，一般情況下需滿足右旋圓極化增益大于-10dBic 或軸

(c) (d)（e）圖1.4 文獻(xiàn)[13]-[17]中的天線結(jié)構(gòu)示意圖② 采用十字交叉偶極子天線或者改變地板以及腔體的形狀：十字交叉偶極子因其工作頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單以及波束寬度易于展寬，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信及導(dǎo)航系統(tǒng)。近年來，為了提高這種天線類型的波束寬度，學(xué)者們對十字交叉對稱振子天線的做了很多研究[30]-[42]。改變天線的腔體或者地板的結(jié)構(gòu)也是展寬波束寬度的一種有效方式。因此，學(xué)者將此類方法應(yīng)用于多種天線上，從而實現(xiàn)展寬波束寬度的目的[43]-[46]。

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