极化转换表面设计及其在天线中的应用
这是一篇关于电磁超表面,极化转换表面,圆极化,交叉极化,雷达散射截面的论文, 主要内容为随着无线通信系统、雷达导航、载体隐身等领域的快速发展,其通信系统的复杂度不断增大任务模式不断增加,对天线的要求越来越高。在日渐复杂的应用背景下,传统的天线面对高复杂度和多任务模式的需求常常难以满足应用要求。极化转换表面作为电磁超表面的一种,可以对电磁波的极化方式实现自由的人为调控。极化转换表面是由周期性单元所构成的二维平面,与传统的三维超材料结构相比,具有低剖面、低损耗和易于与天线相结合等优势。加载极化转换表面的天线具有极化方式多样、易于结合、效率高和低雷达散射截面(Radar Cross Section)等优点,能够更好的应用于复杂的通信系统。本文主要对极化转换表面的设计和应用做出了研究,本文主要内容如下:对极化转换表面设计原理做出研究分析,以基本原理为依据设计了两款线-圆极化转换表面。第一款极化转换表面在9.85-21.0GHz频率范围内实现了宽带线-圆极化转换。将该极化转换表面加载与微带天线之上,在11.1-14.7GHz和16.3-17.5GHz频率范围内,实现将馈源天线辐射的线极化波转换为了轴比小于3d B的圆极化波,验证了转换表面具有的极化转换性能。设计的第二款为多层极化转换表面,该极化转换表面在3.1-5.3GHz和6.5-9.1GHz频率范围内,分别具有线-圆极化转换特性和交叉极化转换特性,实现了具有双极化转换模式的结构设计。然后设计了一款交叉极化转换单元,所设计的单元结构在5.4-11.0GHz频率范围内能够将入射波转换至交叉方向,且极化转换率均大于94%,实现了宽带高转换率极化转换单元的设计。基于极化转换表面并利用相位相消原理,对交叉极化转换单元以镜像对称方式进行棋盘式排布,构建了一款RCS缩减表面。与同等面积大小的PEC板对比,其RCS最小缩减效果比PEC板高5d B以上,最大缩减达到34d B。其次通过微带天线加载RCS缩减表面设计了一款低RCS天线,该天线具有宽带和低RCS特性。天线加载RCS缩减表面RCS与未加载相比缩减值大于10d B。本文对线-圆极化转换表面和交叉极化转换表面做出了研究分析。并基于线-圆极化转换单元实现了线极化天线转换为圆极化天线,基于交叉极化转换单元实现了天线RCS的缩减。为圆极化天线设计和降低天线RCS提供了新的设计思路。本文的研究内容在宽带、高效率和多模式极化转换表面的设计,以及极化转换表面在天线系统中的应用等方面具有一定的参考价值。
基于液晶的电控微波透射相控阵天线研究
这是一篇关于液晶材料,频率选择表面,圆极化,FP谐振天线,相控阵天线的论文, 主要内容为随着现代无线通信系统的蓬勃发展,为移动终端或广播系统提供通讯服务的相关需求不断增大。相控阵天线在机载或车载等移动终端应用广泛,其快速波速扫描能力具有巨大优势,引起当今天线系统领域的强烈关注。但随着移动终端小型化进程加快,传统相控阵天线重量大、体积大等缺点逐渐突出。人们对于天线设计更多地关注到外形的轻巧性及平直度。高性能、多功能、低成本、小型化、智能化成为天线设计的主要目标。基于液晶移相技术的液晶相控阵是一种实现低成本、小型化、低剖面波束扫描天线的极具潜力的方案。液晶移相可分为平面移相、反射移相和透射移相三类,分别对应三种不同的相控阵结构。平面移相型相控阵损耗较大,口径效率有限;反射移相型由于馈源遮挡,存在扫描盲区;透射移相型相控阵则可以降低损耗,避免馈源遮挡导致的扫描盲区。但目前液晶透射相控阵存在移相范围不足、含馈源天线系统剖面较高、无法适应圆极化等问题,亟待发展新的透射结构和设计方法,扩展移相范围,降低剖面,实现圆极化。本文着眼于基于液晶的相控阵天线中的透射阵形式,进行了以下研究设计:第一:基于液晶良好的介电可调特性,将液晶材料与多层频率选择表面结合构成一种新型平面透射阵天线,实现天线单元的移相—辐射一体化。旨在解决传统微带平面透射阵工作频带窄,无法实现波束扫描的问题,为可重构天线的设计提供了新方法和新思路,所设计天线实现±50°的连续波束扫描,增益均在16d B以上。第二:针对喇叭馈电式透射阵剖面过高问题,基于光学FP谐振腔原理设计了一款低剖面高增益天线来替换喇叭天线对液晶透射阵列进行馈电,大大降低了整个透射阵系统剖面,实现±30°的波束连续扫描,增益均在14d B以上。第三:基于线—圆极化转换器原理,结合FSS结构设计了一款集极化转换功能与移相功能一体化的液晶透射阵天线,实现±40°的高增益、高精度的连续圆极化波束扫描,轴比在大部分扫描角度下小于5dB。
基于相位梯度超表面的透镜天线研究
这是一篇关于相位梯度超表面,透镜天线,宽带,涡旋波,圆极化,机器学习的论文, 主要内容为随着微波毫米波电路系统和信息通信领域的迅速发展,相位梯度超表面透镜天线由于能够控制电磁波的波前相位和幅值,从而实现电磁波传播方向和形式的调控,成为当前学术界和工程领域研究的热点之一。针对传统透镜天线带宽较窄、难以实现各向异性相关功能等问题,本文着重研究了宽带超表面透镜天线以及一种应用于各向异性超表面透镜天线的机器学习设计方法。本文重点研究相位梯度超表面理论,通过对比传统补偿相位计算方法调整相位前后的差值,引出宽带补偿相位计算与排布方法,验证该方法在宽带范围内降低了超表面透镜的补偿相位差值,从而提升超表面透镜天线的增益与带宽。利用该宽带补偿相位计算方法设计出三种高性能宽带天线,并仿真分析天线相关性能。其中超表面透镜天线具有6GHz的1dB增益带宽;宽带圆极化超表面透镜天线实现了 12GHz的1dB增益带宽与3dB轴比带宽;宽带涡旋波超表面透镜天线在22～30GHz的宽带范围内产生了一阶的涡旋波,平均能量权重高达64.6%,涡旋波相对带宽高达38%。针对超表面透镜天线设计过程中相位难匹配、设计耗时较长等问题,提出了一种应用于各向异性超表面透镜天线的机器学习设计方法,由基于线性函数特征的DNN、基于相位分类的DNN以及灰狼优化算法组成,利用该机器学习设计方法可在超大频率范围内实现介质基础单元透射相位的精准预测,从而实现各向异性超表面透镜天线的快速设计。本文所提出的机器学习设计方法在10～25GHz内实现了介质基础单元尺寸参数与TE和TM透射相位之间的快速映射,达到了 95%以上的精度。利用所设计的机器学习方法完成了一款涡旋波复用超表面透镜天线的设计,其在24GHz频率下可以实现轨道角动量阶数1和-1的涡旋波复用,证实了所设计机器学习方法的有效性。
基于液晶的电控微波透射相控阵天线研究
这是一篇关于液晶材料,频率选择表面,圆极化,FP谐振天线,相控阵天线的论文, 主要内容为随着现代无线通信系统的蓬勃发展,为移动终端或广播系统提供通讯服务的相关需求不断增大。相控阵天线在机载或车载等移动终端应用广泛,其快速波速扫描能力具有巨大优势,引起当今天线系统领域的强烈关注。但随着移动终端小型化进程加快,传统相控阵天线重量大、体积大等缺点逐渐突出。人们对于天线设计更多地关注到外形的轻巧性及平直度。高性能、多功能、低成本、小型化、智能化成为天线设计的主要目标。基于液晶移相技术的液晶相控阵是一种实现低成本、小型化、低剖面波束扫描天线的极具潜力的方案。液晶移相可分为平面移相、反射移相和透射移相三类,分别对应三种不同的相控阵结构。平面移相型相控阵损耗较大,口径效率有限;反射移相型由于馈源遮挡,存在扫描盲区;透射移相型相控阵则可以降低损耗,避免馈源遮挡导致的扫描盲区。但目前液晶透射相控阵存在移相范围不足、含馈源天线系统剖面较高、无法适应圆极化等问题,亟待发展新的透射结构和设计方法,扩展移相范围,降低剖面,实现圆极化。本文着眼于基于液晶的相控阵天线中的透射阵形式,进行了以下研究设计:第一:基于液晶良好的介电可调特性,将液晶材料与多层频率选择表面结合构成一种新型平面透射阵天线,实现天线单元的移相—辐射一体化。旨在解决传统微带平面透射阵工作频带窄,无法实现波束扫描的问题,为可重构天线的设计提供了新方法和新思路,所设计天线实现±50°的连续波束扫描,增益均在16d B以上。第二:针对喇叭馈电式透射阵剖面过高问题,基于光学FP谐振腔原理设计了一款低剖面高增益天线来替换喇叭天线对液晶透射阵列进行馈电,大大降低了整个透射阵系统剖面,实现±30°的波束连续扫描,增益均在14d B以上。第三:基于线—圆极化转换器原理,结合FSS结构设计了一款集极化转换功能与移相功能一体化的液晶透射阵天线,实现±40°的高增益、高精度的连续圆极化波束扫描,轴比在大部分扫描角度下小于5dB。
基于相位梯度超表面的透镜天线研究
这是一篇关于相位梯度超表面,透镜天线,宽带,涡旋波,圆极化,机器学习的论文, 主要内容为随着微波毫米波电路系统和信息通信领域的迅速发展,相位梯度超表面透镜天线由于能够控制电磁波的波前相位和幅值,从而实现电磁波传播方向和形式的调控,成为当前学术界和工程领域研究的热点之一。针对传统透镜天线带宽较窄、难以实现各向异性相关功能等问题,本文着重研究了宽带超表面透镜天线以及一种应用于各向异性超表面透镜天线的机器学习设计方法。本文重点研究相位梯度超表面理论,通过对比传统补偿相位计算方法调整相位前后的差值,引出宽带补偿相位计算与排布方法,验证该方法在宽带范围内降低了超表面透镜的补偿相位差值,从而提升超表面透镜天线的增益与带宽。利用该宽带补偿相位计算方法设计出三种高性能宽带天线,并仿真分析天线相关性能。其中超表面透镜天线具有6GHz的1dB增益带宽;宽带圆极化超表面透镜天线实现了 12GHz的1dB增益带宽与3dB轴比带宽;宽带涡旋波超表面透镜天线在22～30GHz的宽带范围内产生了一阶的涡旋波,平均能量权重高达64.6%,涡旋波相对带宽高达38%。针对超表面透镜天线设计过程中相位难匹配、设计耗时较长等问题,提出了一种应用于各向异性超表面透镜天线的机器学习设计方法,由基于线性函数特征的DNN、基于相位分类的DNN以及灰狼优化算法组成,利用该机器学习设计方法可在超大频率范围内实现介质基础单元透射相位的精准预测,从而实现各向异性超表面透镜天线的快速设计。本文所提出的机器学习设计方法在10～25GHz内实现了介质基础单元尺寸参数与TE和TM透射相位之间的快速映射,达到了 95%以上的精度。利用所设计的机器学习方法完成了一款涡旋波复用超表面透镜天线的设计,其在24GHz频率下可以实现轨道角动量阶数1和-1的涡旋波复用,证实了所设计机器学习方法的有效性。
极化转换表面设计及其在天线中的应用
这是一篇关于电磁超表面,极化转换表面,圆极化,交叉极化,雷达散射截面的论文, 主要内容为随着无线通信系统、雷达导航、载体隐身等领域的快速发展,其通信系统的复杂度不断增大任务模式不断增加,对天线的要求越来越高。在日渐复杂的应用背景下,传统的天线面对高复杂度和多任务模式的需求常常难以满足应用要求。极化转换表面作为电磁超表面的一种,可以对电磁波的极化方式实现自由的人为调控。极化转换表面是由周期性单元所构成的二维平面,与传统的三维超材料结构相比,具有低剖面、低损耗和易于与天线相结合等优势。加载极化转换表面的天线具有极化方式多样、易于结合、效率高和低雷达散射截面(Radar Cross Section)等优点,能够更好的应用于复杂的通信系统。本文主要对极化转换表面的设计和应用做出了研究,本文主要内容如下:对极化转换表面设计原理做出研究分析,以基本原理为依据设计了两款线-圆极化转换表面。第一款极化转换表面在9.85-21.0GHz频率范围内实现了宽带线-圆极化转换。将该极化转换表面加载与微带天线之上,在11.1-14.7GHz和16.3-17.5GHz频率范围内,实现将馈源天线辐射的线极化波转换为了轴比小于3d B的圆极化波,验证了转换表面具有的极化转换性能。设计的第二款为多层极化转换表面,该极化转换表面在3.1-5.3GHz和6.5-9.1GHz频率范围内,分别具有线-圆极化转换特性和交叉极化转换特性,实现了具有双极化转换模式的结构设计。然后设计了一款交叉极化转换单元,所设计的单元结构在5.4-11.0GHz频率范围内能够将入射波转换至交叉方向,且极化转换率均大于94%,实现了宽带高转换率极化转换单元的设计。基于极化转换表面并利用相位相消原理,对交叉极化转换单元以镜像对称方式进行棋盘式排布,构建了一款RCS缩减表面。与同等面积大小的PEC板对比,其RCS最小缩减效果比PEC板高5d B以上,最大缩减达到34d B。其次通过微带天线加载RCS缩减表面设计了一款低RCS天线,该天线具有宽带和低RCS特性。天线加载RCS缩减表面RCS与未加载相比缩减值大于10d B。本文对线-圆极化转换表面和交叉极化转换表面做出了研究分析。并基于线-圆极化转换单元实现了线极化天线转换为圆极化天线,基于交叉极化转换单元实现了天线RCS的缩减。为圆极化天线设计和降低天线RCS提供了新的设计思路。本文的研究内容在宽带、高效率和多模式极化转换表面的设计,以及极化转换表面在天线系统中的应用等方面具有一定的参考价值。
应用于微波输能发射天线的平面反射阵研究
这是一篇关于微波输能技术,宽带,圆极化,折叠型平面反射阵天线的论文, 主要内容为微波输能技术由于其传输距离远、安全性高、传输功率大等特点,是远距离无线电能传输的主流技术之一。相较于微波输能系统中的抛物面天线和微带阵列天线,平面反射阵天线具有成本低、重量轻、无馈电网络损耗和辐射功能灵活的特点。论文以平面反射阵天线作为微波输能系统的发射天线,针对动、静态受能目标场景以及系统集成化问题提出新的反射单元和阵列设计,开展宽频带和极化转换性能的分析研究,主要工作如下:(1)面向静态目标的宽频带反射阵天线设计与实验。为拓宽线极化平面反射阵天线带宽,设计出中心频率为5.8GHz的宽带反射阵相位控制单元,该单元在获得超过360°相位覆盖范围的同时保证至少97.7%的能量被反射。其次采用该单元设计了尺寸为475mm×475mm的反射阵天线,实验测试结果表明:该天线在C波段具有20.4%(5.01～6.15GHz)的1-d B增益带宽,5.8GHz增益可达27.3d Bi,同时具有高达51%的口径效率,通过传能实验验证该平面反射阵天线可有效提高微波输能系统的传输效率。(2)面向动态目标的圆极化反射阵天线设计与实验。为解决移动目标姿态变化带来的极化失配问题,提出单层结构的极化转换圆极化单元,该单元可以在x与y轴方向实现360°全相位独立调控。其次基于该单元设计了口径为375mm×375mm的圆极化反射阵天线,加工制作圆极化反射阵天线模型。最后实验测试表明:该天线能够实现线极化入射波到双圆极化出射波的转换,其中左/右旋极化波的3d B轴比带宽分别为38%和36.4%,在中心频率为5.8GHz时的口径效率分别为52.5%和47.8%。因此论文设计的圆极化反射阵天线具备抵抗移动目标姿态变化带来的极化失配的能力。(3)反射阵天线系统集成化设计与实验。为进一步实现反射阵天线系统集成化,设计了口径为375mm×375mm的集成化折叠型反射阵天线。在仿真中分别分析馈源为波导、2×2阵列天线和喇叭天线时的反射阵天线辐射性能,结果表明:喇叭馈源天线具有最大增益(25.2d Bi),有利于微波能量的传输。另外,实测数据中,论文设计的折叠型反射阵天线1-d B增益带宽为15.6%(5.25～6.14GHz),在中心频率5.8GHz的口径效率为45.7%。
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