W波段反射陈列天线设计-毕业设计答辩

1、电子科技大学物理电子学院 吴斌指导教师：李浩副教授 W波段反射阵列天线设计 2015年6月9号2011 毕业设计 University of Electronic Science and Technology of China目 录一选题依据 课题目标 相关原理 天线单元的仿真优化University of Electronic Science and Technology of China小口径W波段平面反射阵列天线设计 反射阵列天线的测试论文特色三一四五五二六选题依据一University of Electronic Science and Technology of China一1. 平

2、面反射阵列天线相比传统抛物面天线和相控阵天线有很多优点University of Electronic Science and Technology of China结构简单而且反射面为平面，便于加工制造和运输，只需要对馈源进行馈电，不用设计复杂的馈电网络；可以获得较高增益制造成本相对较低W波段平面反射阵列天线由于频率较高,采用的理论较为复杂。University of Electronic Science and Technology of China2. W波段平面反射阵列天线自身存在一些缺点加工难度大,国内外的研究较少。平面反射阵列天线的单元难以实现宽频带二University of E

3、lectronic Science and Technology of China课题目标本课题的目标 本课题的设计一种新型宽带单元，优化其参数，实现较宽的相位动态范围和较低的相位误差敏感度。基于所设计的宽带单元的基础上，设计一个中心点94Ghz增益大于37db，口径效率大于40 ，4Ghz带宽范围内增益跌落小于2db的反射天线阵列。三University of Electronic Science and Technology of China相关原理University of Electronic Science and Technology of China如图，平面反射阵天线由馈源和平

4、面反射阵列组成。反射阵列天线通过阵列的各个单元进行相位调节。馈源辐射在平面周期反射阵面上，改变阵面上各个单元结构来补偿相位，以使得反射波在预定辐射方向上的垂直面上实现等相位叠加。得到较高的增益。反射阵列原理平面反射阵列天线的工作原理一.University of Electronic Science and Technology of China1.移相单元的选择平面反射阵列天线的是依靠反射阵单元进行相位修正，设计合理正确的单元形式是此类天线设计的关键所在。传统的移相单元主要有以下几种平面反射阵列天线的结构分析University of Electronic Science and Techn

5、ology of China枝节型单元的反射阵天线，是通过改变单元末端加载的传输线枝节的长度来修正各单元的相移量。传输线枝节是作为一个移相器的作用而存在的。各个单元具有长短不一的枝节传输线来控制反射波相位。这种单元结构既能用于实现圆极化也能用于实现线极化。(1).枝节型单元枝节型单元University of Electronic Science and Technology of China旋转型单元主要是应用在设计圆极化平面反射阵天线，调整每个单元的旋转角度，来补偿各单元对中心单元反射波的相移量，从而使各单元的反射波束在天线主辐射方向上获得等相位面，形成各波束相叠加。(2). 旋转型单元旋

6、转型单元University of Electronic Science and Technology of China尺寸型单元即是通过改变单元电尺寸的大小来实现相位修正补偿， 尺寸型单元结构不需要像枝节型单元一样加载传输线，因此贴片的辐射效率较高且交叉极化性能也较好。另外，尺寸型的各个单元仅是电尺寸大小不一，可以使用光刻腐蚀技术加工，加工也较为简便。所以本项目使用本项目使用尺寸型作为移相单元(3).尺寸型单元尺寸型单元四天线单元的仿真优化University of Electronic Science and Technology of ChinaUniversity of Electro

7、nic Science and Technology of China用HFSS建立的主从边界法模型示意图反射阵单元及其参数模型示意图单元的结构University of Electronic Science and Technology of China参数h对单元相移曲线的影响基片厚度越大，相移范围越小，但是其相移曲线的变化更加的平坦。因此在相位范围满足360的情况下，可以适当增加介质基片的厚度来获得相对平滑的相位曲线。单元参数对单元相移曲线的影响University of Electronic Science and Technology of China参数g对单元相移曲线的影响随着

8、十字和圆环贴片之间的间隔减少，其相位范围增加。当g=0.1mm时，单元的最大调相范围可以到达500。 University of Electronic Science and Technology of China参数d对单元相移曲线的影响不同圆环宽度d对于单元相位曲线的影响如图所示，d越大相移范围越小d对单元相位特性的影响和g类似，d为0.1mm时，相位达到450左右。University of Electronic Science and Technology of China参数s对单元相移曲线的影响不同十字宽度s 对于单元相位曲线的影响如图所示，s的变化时，仅仅是改变单元中十字部分的结

9、构，所以s的改变仅仅是在十字结构的谐振点附近产生轻微起伏，单元的相位变化区间范围几乎不变，只影响相移曲线后端的平坦度。University of Electronic Science and Technology of China对参数的整体分析设计天线时，只需要一段满足360范围且线性度较好的相位曲线即可。单考虑移相范围，d、g、h越小约好，但由于单元结构大小L是确定的(1.9mm)，d，g增加势必会减少w的可调范围，且d，g太小则会增加加工的难度。根据上述各参数对单元相移特性的影响，结合加工精度的要求，选择最佳参数s=0.1mm，d=0.1mm，g=0.1mm，h=20mil，选取十字振子

10、w在0.25mm到0.95mm这一段变化时的相位曲线，此时相位范围可以为400左右。University of Electronic Science and Technology of China单元的频带特性分析在平面反射阵天线设计中是利用在94GHz处的相移关系进行相位修正的。但是，天线在工作中随着频率变化时，单元的相移曲线必然也会发生变化，那么之前在此基础上所进行的相位补偿必然会引起一定程度的偏差。图示为各参数不同频率处的相位曲线，各曲线之间近似平行。当频率变化时，各阵列单元之间的相对相移量近似不变，可近似认为频率变化所产生的相位误差不足以严重影响天线的性能，从而拓宽了反射阵天线的工作带

11、宽。不同频率处的相移特性曲线五小口径W波段平面反射阵列天线设计University of Electronic Science and Technology of ChinaUniversity of Electronic Science and Technology of China反射阵阵面设计确定了单元的尺寸，就可以设计和仿真平面反射阵天线，反射阵天线结构如图所示， 、 确定后就可以确定馈源的位置University of Electronic Science and Technology of China确定了如上参数，就可以用Matlab矩面计算程序，计算出反射阵面中各个单元所需要的

12、补偿相位量。然后根据单元相位与单元尺寸的相移曲线关系，插值出对应单元的物理尺寸大小，阵面计算程序的计算框图如图所示。天线阵面计算程序的流程图 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插值得出的尺寸本课题中，基于前节中提出的W波段反射阵单元，设计一款中心频率94GHz81个单元（9*9）的反射阵天线进行仿真，验证单元的设计的正确性。主辐射方向为 ，为增加反射效率及减少副瓣，馈源位于法线另一侧且保证入射角为30。University of Electronic Science and Technology of China如图为主辐射方向上的最大增益和频率的关系曲线。从图 中可以清楚地看到，仿真结果表明在90-100GHz(10.6%带宽)频率范围内的增益范围，增益跌落小于1dB，其带宽远远宽于传统的单层天线的带宽。小口径天线

15、的设计实例，直接验证了反射阵天线设计的正确性及单元相移的精准性。平面反射阵天线在不同频率处的仿真增益六反射阵列天线的测试University of Electronic Science and Technology of ChinaUniversity of Electronic Science and Technology of China本课题用上文中提到到方法加工测试了一个口径面大100mm134mm的反射阵列天线。图6-1至6-4分别给出该反射阵天线在93-96GHz各点的归一化的辐射方向图。各频点的辐射方向图均能达到预期设计的辐射方向，且波束增益高，波束尖锐，方向性好。其中，中心频点

16、94GHz处，实测峰值增益为39.3 dB，波束宽度为1.7度左右，最高副瓣电平均低于-16 dB以下，口径效率为51.75%左右。达到了课题的设计目标University of Electronic Science and Technology of China93GHz94GHz95GHz96GHz图6-1图6-2图6-3图6-4由图可知，各频点的辐射方向图均能达到预期设计的辐射方向，且波束增益高，波束尖锐，方向性好。其中，中心频点94GHz处，实测峰值增益为39.3 dB，波束宽度为1.7度左右，最高副瓣电平均低于-16 dB以下，口径效率为51.75%左右。University of Electronic Science and Technology of China图6-5给出了92-98GHz范围内，反射阵天线实测的峰值增益，其最大增益为40.8 dB，最小增益为39 dB，在此频带范围（8.5%的相对带宽）内增益跌落小于3 dB,保证了相对较好的宽带性能。达到了课题的设计目标。 反射阵天线在各频点处的实测峰值增益图6-5七论文特色University of Electronic Science and Technolo