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以科研项目与实际应用的需求为背景,本文针对实现机载超短波天线的小型化以及宽带化设计、脉冲超宽带天线的设计进行深入研究,主要研究成果概括如下:
第一,设计了一款具有小型化和超宽带特性的机载超短波天线,创新设计了具有指数渐变末端的刀型单极子天线结构。对刀型单极子天线的辐射结构进行了切半结构设计、渐变结构设计、截断结构设计以及加载结构设计。为拓展天线的低频带宽设计了一种宽带匹配网络,加载在天线馈电结构与辐射体结构之间。最终,天线以 0.04λ0(λ0为最低工作频率处的自由空间波长)的高度,在30-800 MHz(185.5%)范围内,获得良好的阻抗匹配(VSWR<2)以及水平全向辐射特性。天线的各项性能符合指标要求,具有可应用于机载超短波通信系统的前景。
第二,设计了一款渐变缝隙脉冲超宽带天线。利用槽线传输线以及共面波导传输线设计了一种基于传输线模型的新型馈电结构,新型馈电结构产生平衡奇模的电场分布模式,实现了一种不平衡-平衡馈电结构。新型耦合馈电结构能起到较高效率的传输作用且具有较好的超宽带特性。渐变缝隙脉冲超宽带天线具有大约142%的阻抗匹配带宽,保持了稳定的端射辐射特性以及平坦的增益,群时延曲线相对保持平坦,,实现了较小的信号失真。天线具有良好的频域以及时域特性,满足脉冲超宽带系统的需求,在实际工程应用中具有很大价值。
第三,设计了一款渐变缝隙脉冲超宽带滤波天线。首先,基于阶梯阻抗谐振器独立设计了一种具有低通滤波特性的微带传输线;然后天线与滤波器一体化设计提高了天线在高频处的边带选择特性。天线反射系数的-3 dB带宽与-10 dB带宽之比为1.07,非常接近1,天线具有很好的矩形系数。天线频域以及时域参数的仿真结果都证明了天线具有良好的带外滤波特性以及边带选择特性,同时具有优越的脉冲信号处理能力,可应用于超宽带通信系统。
第四,设计了一款小型化渐变缝隙脉冲超宽带天线。在基于传输线模型的新型馈电结构基础上,利用两个具有相位变化的槽线传输线以及四个平行槽线传输线设计了一个功率分配网络,实现基于行波工作模式馈电结构的设计,有效缩短了渐变缝隙超宽带天线沿缝隙开口方向的尺寸。天线样品测试结果表明,以体积为13.8×30×0.762mm3(0.12×0.26×0.006λ30,λ0为最低工作频率处的自由空间波长)的紧凑结构,天线获得了大约142%的阻抗带宽,保持了良好的端射辐射性能以及平坦的增益。测试得到的群时延曲线保持平坦,实现了较小的信号失真。以上研究结果表明,天线具有良好的频域以及时域特性,可以作为脉冲超宽带系统设备的良好候选者。
第一,设计了一款具有小型化和超宽带特性的机载超短波天线,创新设计了具有指数渐变末端的刀型单极子天线结构。对刀型单极子天线的辐射结构进行了切半结构设计、渐变结构设计、截断结构设计以及加载结构设计。为拓展天线的低频带宽设计了一种宽带匹配网络,加载在天线馈电结构与辐射体结构之间。最终,天线以 0.04λ0(λ0为最低工作频率处的自由空间波长)的高度,在30-800 MHz(185.5%)范围内,获得良好的阻抗匹配(VSWR<2)以及水平全向辐射特性。天线的各项性能符合指标要求,具有可应用于机载超短波通信系统的前景。
第二,设计了一款渐变缝隙脉冲超宽带天线。利用槽线传输线以及共面波导传输线设计了一种基于传输线模型的新型馈电结构,新型馈电结构产生平衡奇模的电场分布模式,实现了一种不平衡-平衡馈电结构。新型耦合馈电结构能起到较高效率的传输作用且具有较好的超宽带特性。渐变缝隙脉冲超宽带天线具有大约142%的阻抗匹配带宽,保持了稳定的端射辐射特性以及平坦的增益,群时延曲线相对保持平坦,,实现了较小的信号失真。天线具有良好的频域以及时域特性,满足脉冲超宽带系统的需求,在实际工程应用中具有很大价值。
第三,设计了一款渐变缝隙脉冲超宽带滤波天线。首先,基于阶梯阻抗谐振器独立设计了一种具有低通滤波特性的微带传输线;然后天线与滤波器一体化设计提高了天线在高频处的边带选择特性。天线反射系数的-3 dB带宽与-10 dB带宽之比为1.07,非常接近1,天线具有很好的矩形系数。天线频域以及时域参数的仿真结果都证明了天线具有良好的带外滤波特性以及边带选择特性,同时具有优越的脉冲信号处理能力,可应用于超宽带通信系统。
第四,设计了一款小型化渐变缝隙脉冲超宽带天线。在基于传输线模型的新型馈电结构基础上,利用两个具有相位变化的槽线传输线以及四个平行槽线传输线设计了一个功率分配网络,实现基于行波工作模式馈电结构的设计,有效缩短了渐变缝隙超宽带天线沿缝隙开口方向的尺寸。天线样品测试结果表明,以体积为13.8×30×0.762mm3(0.12×0.26×0.006λ30,λ0为最低工作频率处的自由空间波长)的紧凑结构,天线获得了大约142%的阻抗带宽,保持了良好的端射辐射性能以及平坦的增益。测试得到的群时延曲线保持平坦,实现了较小的信号失真。以上研究结果表明,天线具有良好的频域以及时域特性,可以作为脉冲超宽带系统设备的良好候选者。