强耦合天线阵列研究+文献综述(2)
3.5 有限尺寸阵列的仿真… 13
3.6 本章小结 16
4 强耦合宽带天线阵与馈电结构的设计… 18
4.1 1*2 元小型化强耦合线阵设计 18
4.2 馈电结构的设计… 21
4.3 1*2 元线阵馈电系统仿真… 23
4.4 2*8 元二文强耦合天线阵列设计 … 27
4.5 本章小结 29
结论 … 30
致谢 … 31
参考文献32
1 引言 1.1 研究背景和意义 天线，在现代广播、通讯、雷达和导航等无线电系统中被广泛应用，实现传输线中导行波和自由空间中电磁波的互相转换从而传播无线电波，是现代无线通信系统中至关重要的装置。1899年，自Brown[1]进行的对多个天线单元同时馈电的实验以来，人们发现当使用多个天线单元按照一定方式排列，组成的阵列能够利用电磁波的干扰和叠加效应使得特定方向的辐射加强，并减少其他方向的电磁干扰，从而取得良好的定向性和高增益。 传统的宽带天线阵列技术，是先设计单独的天线阵元再设计宽带阵列，但多个阵元的叠加往往使阵列体积大，剖面高。近年来，学者们提出了一种基于阵元间互耦效应的宽带天线阵的概念[2]，通过有意加强单元间的互耦来拓展频带，而同时阵元间的紧密排列使得阵列的尺寸大大减小，易于与飞机、导弹等载体共形。通过对阵列单元孤立结构和耦合方式的设计可以获得各种所需的宽带、高增益、低剖面的天线阵列，因此这种强耦合天线阵列有着巨大的研究价值。
1.2 强耦合天线阵列的国内外研究现状 基于强耦合结构的宽带阵列天线技术（Tightly Coupled Array，TCA）[3]是近年来天线研究领域提出的一种新型宽带阵列天线设计。我们发现，加强阵元间的耦合效应会使阵列的阻抗特性随频率变化趋于缓和，那么就通过匹配得到较宽的阻抗带宽。另外，通过加载介质层，还可以使天线阵的扫描特性得到改善。 强耦合效应的天线阵列技术的基本思想是基于 Wheeler 等人在 1965 年提出的一种理想天线作为理论基础——无限大连续电流片阵列天线（Continuous Current Sheet Array ,CCSA）。但这只是一种理论上的理想天线阵列，并不包含实际的馈电结构和反射地板[4]。 2003年，美国俄亥俄州立大学的 Munk 教授等人，在频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）的相关研究中首先发现，末端部分交叠的偶极子单元间具有很强的互耦效应，而具有这样排列结构的偶极子阵列的频率选择表面可以表现出超宽带的特性[5]。同时，Munk教授等人利用类似的结构，在紧密排列的偶极子末端加载电容，制作出了阻抗带宽接近了 10：1（2GHz-18GHz）的天线实物，被称之为 CSA（Current Sheet Array）天线[6]，如图 1.1 所示，剖面非常小，仅为 0.1 个最大波长，容易共形，有大于 30dB 的极化隔离度。整个天线阵工作于整个 S 到 Ku频段，并且电扫描特性非常好（±5 0° ）。 （a）4*4阵列 （b）8*8阵列 图1.1 Munk教授设计CSA 的天线阵列 随后于 2006 年，J. F. McCann 设计了一种基于阵元间互耦效应的宽带开槽天线阵[7]。该开槽天线阵与 Munk 教授的成果相对应，二者呈互补结构，其阵列相对带宽可以达到 40% （回波损耗小于-10dB），同时实现±70° 的扫描。 2007年，美国Harris 公司同样利用在阵元末端加载电容的结构，设计了应用于 VHF/UHF频段的双极化天线阵列[8]，如图 1.2所示，其工作频带为 0.1GHz-1.0GHz。利用两幅极化正交的天线阵使阵列获得双极化。