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题名: 时域超宽带小型化天线技术与应用研究
作者: 王友成
答辩日期: 2016-6-1
摘要: 

时域体制超宽带雷达具有高分辨、高效率、非侵入式探测等优点,广泛应用于浅地表结构探测、穿墙成像探测等领域。天线作为换能器,其性能决定雷达系统的探测距离和精度。时域体制雷达天线不仅需要满足频域天线的性能指标,包括电压驻波比、增益、方向图等,还要满足时域波形保真度的要求。针对不同的雷达应用环境,需要设计相应形式的天线。因此,对时域超宽带小型化天线的设计与研究尤为重要。本文围绕探地雷达、穿墙成像雷达等项目需求,深入研究了超宽带平面蝶形天线、电阻加载线天线、TEM喇叭天线和平面渐变槽天线的设计及应用。论文的主要工作和创新点如下:

1)针对水滴状蝶形天线,展开阻性加载的研究。分析比较了电阻加载、吸波材料加载对天线频域和时域性能的影响。设计了一种带宽良好、振铃较低的水滴状吸波材料加载天线和用于天线测试的指数型巴伦,并将天线应用于探地雷达系统。

2)提出了一种结构紧凑、简便易行的新型阻容混合加载的方法,并应用于半椭圆蝶形天线设计中。测试结果表明,该天线具有良好的宽带特性、较低的时域拖尾;相比于阻性加载,在不增加结构复杂度和不降低阻抗带宽的情况下,提高了天线的辐射波形峰值幅度。

3)研究了末端谐振加载结构以及背腔形式对蝶形天线性能的影响。分析了天线臂末端分别为矩形、半正弦、半椭圆和三角形开槽时,电阻加载对天线端口特性的影响;分析了采用矩形、抛物面和V形背腔时天线驻波系数的变化。设计了一款V形背腔、末端半圆面开槽的半椭圆天线,并应用于穿墙成像雷达。

4)提出了天线臂末端弧形开槽加载和结构渐变的馈电方式,有效地改善了天线的输入阻抗。基于此结构,研制了一种工作中心频率为200 MHz矩形背腔的蝶形天线,该天线带宽较大、结构轻便,用作收发天线时雷达探测成像结果清晰。研制了一种中心频率为60 MHz的屏蔽型半椭圆面天线。天线具有超过100%的带宽和较低的拖尾,适用于城市道路10米以下较深目标的探测。

5)提出了利用越野车身金属框架作为单极子天线接地板的设计方法,有效地解决了车载平台发射天线的工程应用问题。基于Wu-king加载原理,研制了应用于车载平台的单极子天线以及应用于飞艇和地面平台的偶极子天线。作为伪噪声编码雷达的收发天线,绕制了相应大功率容量的巴伦。外场实验表明,编码雷达探测深度优于100米,并与钻芯数据吻和较好。

6)提出了利用超定椭圆函数构造TEM天线辐射臂、并以圆弧面加载的方法拓展天线带宽,并采用微带线阻抗变换器匹配,研制了一种紧支撑结构的TEM喇叭天线。该天线具有阻抗宽带大、辐射特性好和增益平坦的特性。研制了一种中心工作频率为2 GHz TEM喇叭天线。采用准最优曲线设计喇叭天线的渐变阻抗线,用近似保角变换的方法计算天线截面尺寸,并使用吸波材料加载来抑制天线后向辐射。天线具有良好的阻抗带宽(0.5 GHz ~ 14 GHz),且时域波形振铃较小。将天线与雷达系统集成后进行高速公路探测实验,获得了清晰的沥青分层成像结果。

7)研究了周期结构和栅状开槽对Vivaldi天线辐射特性的影响。将两种方式结合,设计了一款采用栅形开槽和周期结构加载的紧凑型天线。在1 GHz3.5 GHz内,天线驻波系数小于2。在部分频段,增益提高近3 dB。提出了电阻桥接电性辐射器的环状臂和契比雪夫型阻抗变换器以形成磁天线结构的设计方法,并研制了一款电磁结合型平面渐变槽天线。仿真和测试结果表明天线具有良好的阻抗带宽和较高的极化隔离度。将电磁组合型天线集成于步进频率阵列雷达系统,可应用于偏移成像实验。

学位: 博士
专题: 电子所博硕士学位论文_学位论文

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推荐引用方式:
王友成.时域超宽带小型化天线技术与应用研究[博士].北京.中国科学院研究生院.2016
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