低相对介电常数的圆极化径向缝隙天线的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京邮电大学电子工程学院 作者:王宜颖

  径向缝隙天线是高增益、高效率的平面缝隙阵列天线。天线缝隙阵列按一定的规律排布在径向波导的上表面,径向波导内部填充由慢波材料来抑制天线的栅瓣,其中慢波材料的相对介电常数一般的选择范围是1.5~2.5。本文设计的径向缝隙天线中填充径向波导的慢波材料的相对电常数为1.06。依据径向缝隙天线的设计原则,适当调整缝隙的排布,所设计天线并未出现栅瓣,并且有较好的方向性。天线的仿真结果与测量结果吻合的较好。

  引言

  相对于其他直播星天线,径向缝隙天线由于其高增益、高效率、体积小、寿命长、坚固耐用等优点受到许多国家的科研工作者的广泛关注,并且国外已经广泛应用,方便着人们的日常生活。

  “径向波导缝隙天线”这个术语首先是由N. Goto和 M. Yamamoto 在1980 年提出来的;而最先研究这款天线的可能是F. J. Goebels 和 K. C. Kelly,他们于1961年提出通过调整馈电电路设计一个能够接收圆极化、线极化或椭圆极化信号的固定形状的笔形波束的天线。Takahashi. M. 等人于1995 提出了采用波束倾斜的办法来消除反射,Paul W. Davis 和Marek E. Bialkowski 于1997年采用增加反射缝隙的方法来消除反射。进入21 世纪,仍然有大量的科研工作出现:2007 年日本东京工业大学的Masahide Undo 等人对两个不同介电常数的材料叠加一起形成慢波结构进行了研究;2012 年,东京工业大学的Tung Nguyen 等人设计了椭圆波束的径向缝隙天线。径向缝隙天线的研究大都基于相对介电常数较大的介质材料上,因为如果相对介电常数的范围在1.5~2.5 之间,那么所设计的径向缝隙天线将不会出现栅瓣。

  本文的研究是相对介电常数为1.06 的发泡材料填充的径向线波导上开缝所形成的径向缝隙天线。依据径向缝隙天线基本的设计原理,通过合理调整缝隙的长度和角度来抑制天线栅瓣的出现;通过对所加工的天线进行多次测量,求均值尽可能消除误差后,所得到的天线方向图与仿真所得到的方向图吻合较好。

天线结构

  径向缝隙天线由三个部分组成,馈电网络、径向波导和缝隙阵列,其整体结构图形见图1。图中采用SMA接头对径向波导进行馈电,然后能量从中间向径向波导四周流动,流动的过程中一部分能量通过缝隙向外辐射,其余的能量继续向四周流动。

  径向波导部分有两种设计结构,双层径向波导结构和单层径向波导结构。在早期的研究当中都采用的是双层径向波导结构,这样的结构方便阵列天线缝隙的设计,因为上层径向波导中能量是由边缘向中心流动,随着缝隙的辐射到中心的能量逐渐减少,这样可以把缝隙的长度设计成一致。

径向缝隙天线的结构

图1 径向缝隙天线的结构

  但是双层波导结构所设计的天线当能量传输到中心位置后剩余能量的处理较麻烦、效率和增益都比较低,而且由于不易于加工带来了加工费用的增加,不利于商业应用。20 世纪90 年代后开始采用单层波导结构。

  采用单层波导结构的设计方式克服了上述缺点,但同时也给天线缝隙的设计带来了很大的挑战,主要表现在缝隙长度设计不一致、最里圈和最外圈缝隙的设计等。本文采用的是单层径向波导设计结构,采用SMA 接头进行馈电,径向波导上下两层均采用导电性好的良导体。

结论

  依据径向缝隙天线的设计理论设计了圆极化径向缝隙天线,调整缝隙的长度和角度可以改善天线的性能。通过对于所加工的两个径向缝隙天线的测量,与相应的仿真结果进行比对,发现仿真结果的方向图和实际测量所得到的方向图吻合较好,印证了天线设计的有效性和可行性。

  在实际设计的天线中,测量所得到的中心频率偏移相较于仿真结果较大,这是在后续工作中需要改进的。

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