波导缝隙阵列天线与印刷缝隙单元天线研究

2013年4月波导缝隙阵列天线与印刷缝隙单元天线研究StudyonWaveguideSlotArrayandPrintedSlotElementAntennas胡伟尹应增教授工学电磁场与微波技术学科、专业学科门类提交论文日期指导教师姓名、职务作者姓名题（中、英文）目TN821070109181110204公开代号分类号密级学号作者简介胡伟，陕西省西安市人，1986年生。2008年7月毕业于西安电子科技大学，获学士学位。2013年6月获西安电子科技大学工学博士学位。导师：尹应增教授。主要研究方向：多频带天线，双极化天线，波导缝隙阵列天线及馈电网络设计等。代表性成果及经历：已在IEEETransactiononAntennasandPropagation、IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters、IETElectronicsLetters、JournalofElectromagneticWavesandApplications等权威、核心刊物和重要学术会议发表学术论文20余篇。WeiHuwasborninXi’an,ShaanxiProvince,China,in1986.HereceivedhisB.S.inElectronicInformationEngineeringfromXidianUniversity,Xi’an,China,in2008.HewillreceivethePh.D.degreeinElectromagnetics&MicrowaveTechnologyfromXidianUniversity,Xi’an,China,inJune2013.HissupervisorisProf.Ying-ZengYininXidianUniversity.Hisresearchinterestsincludemultibandantennas,dual-polarizedantennas,waveguideslotantennaarraysandfeedingnetworks.Heh***ublishedmorethan20researchpapersinrefereedinternationaljournalsandconferences,suchasIEEETransactiononAntennasandPropagation,IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,IETElectronicsLetters,JournalofElectromagneticWavesandApplicationsandsoon.西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的****单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署**位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要I摘要缝隙天线作为一种重要的天线形式，在雷达及移动通信领域有着广泛的应用。加工在波导壁上的波导缝隙阵列天线，由于其具有口径效率高、损耗小、功率容量大、结构紧凑且加工与安装便捷等显著优点，成为高性能雷达天线的优选形式。另一方面，具有多频带、双极化特性的平面印刷缝隙天线，以其小型化、低成本的优势，在移动终端设备及无线通信基站中得到广泛应用。本论文紧密结合当前军用和民用通信领域的发展需求，以波导缝隙阵列天线与印刷缝隙单元天线为主要对象展开研究。作者的主要工作及创造性成果可概括为：1.对异形波导缝隙阵列天线进行了研究，设计出一副具有和差波束的单脉冲波导缝隙阵列天线。首先，研究了一种可用于阵列天线方向图综合的新型自适应竞争差分进化算法。该方法将自适应变异因子、自适应交叉概率与竞争差分变异策略相结合，提高了算法的优化效率。其次，针对异形口径波导缝隙阵列天线的方向图综合问题，采用了优化算法与电磁仿真软件相结合的方法。将不规则阵面环境中的缝隙单元方向图代入优化过程，在考虑阵列单元间互耦的情况下进行多次迭代计算，准确、高效地实现了异形波导缝隙阵列天线方向图的低副瓣综合。2.对单脉冲天线的和差馈电网络进行了研究与设计，提出一种具有双层波导结构的‘十’字形和差馈电网络。该和差网络由四个互连的梯形匹配短槽定向耦合器以及外接的弯折形波导相移线组成，具有设计简单、模型便于调节的优点。计算结果表明所设计的双层波导馈电网络具有高精度合成和差信号的能力。3.对多频带印刷缝隙天线进行了研究。提出了三种实现天线多频带与小型化的方法，包括：（1）缝隙加载L形枝节法。通过在U形开口缝隙和方形闭合缝隙两侧对称嵌入L形弯折枝节，可在不增加原天线尺寸的前提下引入附加的谐振频点，实现了天线的多频带工作。（2）缝隙扼流结构法。通过对小型缝隙扼流结构做进一步改进，提出了一种可加载于辐射体边缘的新型并联谐振结构，并将其应用于两副多频带天线的小型化设计。实验结果表明该缝隙谐振器具有结构紧凑、通用性强等优点。（3）非对称结构小型化法。通过对天线中微带线与共面波导两种馈电方式进行非对称结构设计，能在前两种方法的基础上进一步减小多频带天线的物理尺寸。以上提出的天线均可在满足多频带工作的同时，实现小型化设计。计算和测试结果吻合良好，验证了上述三种方法的有效性和正确性。4.对双极化印刷缝隙天线进行了研究。首先，采用加载多缝隙印刷圆盘结构并配合双同轴馈电，设计出一副具有高端口隔离、低交叉极化的小型双极化印刷波导缝隙阵列天线与印刷缝隙单元天线研究II缝隙天线。然后，在其结构基础上，通过金属柱寄生和双频共口径两种设计方法，分别实现了双极化天线的宽波束覆盖与多频带工作，有效地扩展了双极化天线的应用范围。测试结果表明所设计的天线性能优越，可应用于移动基站、WLAN/WiMAX公共热点等多种无线通信系统。关键词：波导缝隙阵列天线异形口径印刷缝隙天线多频带双极化ABSTRACTIIIABSTRACTAsanimportantantennaform,slotantennahasbeenwidelyusedinmodernradarandmobilecommunicationsystems.Waveguideslotantennaarray,notchedonthebroadwallofrectangularwaveguides,showsremarkableadvantagessuchashighapertureefficiency,compactstructure,lowlosses,highpowercapacity,easytomanufactureandassemble.Thus,ithasbecomeapromisingcandidateforhigh-performanceradarantennas.Ontheotherhand,printedslotantennahasrecentlyfoundextensiveapplicationsinwirelessterminaldevicesandmobilebasestations,becauseofitsattractivecharacteristicsincludingsmallsize,lowprofileandlowcost,etc.Moreover,byemployingdifferenttypesofslotstructures,theprintedslotantennascanalsoachievemultibandanddual-polarizedperformance.Inconsiderationofresearchsubjectsandpracticalrequirementsofcommercialandmilitarywirelesscommunicationsystems,thisdissertationismainlyconcernedwiththefastanalysisandsynthesisofwaveguideslotarrayandthenoveldesignofprintedslotelementantennas.Theauthor’smajorworksandcontributionsareasfollows:1.Waveguideslotantennaarrayisinvestigated,andamonopulsewaveguideslotantennaarraywithirregular-shapedapertureisfurtherdesigned.Firstly,anovelself-adaptivecompetitivedifferentialevolution(SaCDE)algorithmisproposedforpatternsynthesisofantennaarray.Self-adaptivescalingfactor,self-adaptivecrossoverprobability,andcompetitivemutantstrategyarecombinedinSaCDEtoimprovethealgorithm'soptimizationefficiency.Then,collaborativesimulationbetweenSaCDEalgorithmandHFSSsoftwareisemployedforthepatternsynthesisofirregular-shapedwaveguideslotantennaarray.Intheoptimizationprocedure,theelementpatternsintheactualirregular-shapedarrayhavebeentakenintoaccount,whichcanreducetheerrorcausedbytheneglectofthemutualcouplingamongelementsandimprovetheaccuracyofthesimulation.Atlast,lowsidelobepatternsynthesisofthearraycanbeoptimizedefficientlytosatisfytherequirementsofantennaperformance.2.Waveguidemonopulsecomparatorisresearched,andanovelcross-shapeddual-layerwaveguidestructureisappliedinthemonopulsecomparatordesign.Thiscomparatoriscomposedoffourtrapezoidalmatchingshort-slotdirectionalcouplerandfourdelaylines,whichexhibitsfeaturessuchassimplicityindesignconcept,easeofcontrolanduse.Theresultsshowthatthe**