一种宽带宽角双极化相控阵天线单元研究
宽带宽角扫描相控阵天线系统
宽带宽角扫描相控阵天线系统随着无线通信技术的快速发展，相控阵天线系统在雷达、无线通信和电子战等领域的应用越来越广泛。
宽带宽角扫描相控阵天线系统具有宽频带、高角度覆盖和快速扫描等优势，成为当前研究的热点。
本文将介绍宽带宽角扫描相控阵天线系统的设计思路、实验结果及总结与展望。
关键词：相控阵天线、宽带宽角扫描、相控阵列、天线元、波束形成相控阵天线系统最早应用于军事领域，通过控制天线阵列中天线元的相位和幅度，改变波束的方向和形状，实现扫描和跟踪目标。
随着科技的不断发展，相控阵天线系统的应用逐渐扩展到民用领域，如无线通信、导航和雷达等。
宽带宽角扫描相控阵天线系统能够在宽频带内实现高角度覆盖和快速扫描，提高系统的抗干扰能力和目标检测能力，具有很高的应用价值。
宽带宽角扫描相控阵天线系统的设计思路主要包括以下方面：天线元设计：为了实现宽带宽角扫描，需要设计具有宽带性能的天线元。
可以采用偶极子、贴片天线或波导缝隙天线等，并优化其结构以实现宽频带覆盖。
相控阵列设计：根据应用需求，设计合适的相控阵列规模和排列方式。
为了实现高角度覆盖，需要合理设计天线元的激励幅度和相位，以及它们在阵列中的排列方式。
波束形成网络设计：采用合适的波束形成网络，实现天线元激励的幅度和相位的控制。
可以使用模拟移相器、数字波束形成器或其他波束形成网络来实现。
控制系统设计：为了实现快速扫描，需要设计高效的控制系统，包括数据采集、处理和传输等环节。
可以采用高速数字信号处理器或其他专用控制芯片来实现。
我们设计并制作了一个宽带宽角扫描相控阵天线系统，并对其实进行了实验测试。
实验中采用了24个天线元组成正方形阵列，每个天线元为24GHz双极化贴片天线。
通过波束形成网络对天线元进行激励，实现波束的高角度覆盖和快速扫描。
实验结果表明，该系统在20GHz 频带内具有良好的宽带性能，并且在40°扫描角度范围内波束形状变化平滑，角度分辨率达到5°。
相控阵天线宽角宽带扫描方法研究
相控阵天线宽角宽带扫描方法研究一、简述随着无线通信技术的不断发展，相控阵天线在宽角宽带扫描方面的研究越来越受到关注。
相控阵天线是一种利用多个振子相互干涉的原理实现信号发射和接收的天线，具有频率选择性好、方向性强、抗干扰能力强等优点。
然而传统的相控阵天线在进行宽角宽带扫描时，往往面临着频谱扩展能力不足、扫描速度慢、易受环境干扰等问题。
因此研究一种高效、稳定、抗干扰的相控阵天线宽角宽带扫描方法具有重要的理论和实际意义。
本文主要研究了相控阵天线宽角宽带扫描方法，首先分析了传统方法存在的问题，然后提出了一种基于数字信号处理技术的新型宽角宽带扫描方法。
该方法通过引入自适应滤波器对信号进行动态处理，实现了宽角宽带扫描的有效控制。
同时为了提高扫描速度和稳定性，本文还设计了一种并行化的扫描方案，将扫描过程分为多个子任务，通过多线程并行执行的方式提高了扫描效率。
此外为了降低环境干扰对扫描结果的影响，本文还采用了自适应调制技术对信号进行调制，提高了抗干扰能力。
通过对所提出的宽角宽带扫描方法进行仿真验证和实际应用测试，本文证明了该方法在提高扫描速度、稳定性和抗干扰能力方面具有明显的优势。
这为相控阵天线在宽角宽带通信领域的应用提供了有力的理论支持和技术保障。
1. 相控阵天线的概述和发展历程相控阵天线是一种利用多个天线单元相互之间的相位和振幅关系来实现空间波束控制的天线系统。
随着科技的发展，相控阵天线在通信、雷达、导航等领域得到了广泛应用。
本文将研究相控阵天线宽角宽带扫描方法，以提高其在宽角宽带信号处理中的应用性能。
相控阵天线的发展历程可以追溯到20世纪60年代，当时人们开始研究如何利用多个天线单元来实现空间波束控制。
在70年代和80年代，相控阵天线技术得到了进一步发展，尤其是数字信号处理技术的应用，使得相控阵天线能够实现更精确的波束形成和控制。
90年代以后，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，相控阵天线的研究进入了一个新的阶段，如多波束天线、自适应天线等新型天线结构相继出现。
一种S波段宽带双圆极化天线设计
一种S波段宽带双圆极化天线设计本文设计了一种新型宽带高增益双圆极化天线，该天线采用圆形罩杯和多个金属圆盘贴片相结合的层叠结构。
通过改变圆形罩杯和金属圆盘贴片直径的大小来调节天线单元的增益以及天线的阻抗带宽，得到了良好的效果。
天线通过四点正交馈电方法实现圆极化辐射。
馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成。
通过激励90o电桥两个输入端口实现天线左右旋圆极化变换。
采用商业仿真软件HFSS对天线结构尺寸进行优化设计，仿真结果表明该天线具有结构形式简单、增益高、带宽宽、轴比性能好等优点。
该天线适合用于一些小角度扫描的相控阵天线系统。
标签：圆极化；宽带；高增益；轴比1 引言本文设计了一种通过四点正交馈电的高增益罩杯天线，该天线采用圆形罩杯和金属圆盘贴片相结合。
通过多个圆盘贴片谐振在不同的频点来展宽天线的阻抗带宽，同时利用不同尺寸的反射罩杯来改变天线单元增益。
天线的馈电网络由一个90o电桥和两个180o环形电桥组成。
通过HFSS对天线单元结构尺寸进行优化分析，结果表明天线的S11在工作带宽（2Ghz-2.3Ghz）范围内小于15dB。
天线方向图法向轴比在±13o范围内小于1.5dB，增益大于14dB。
这种结构的圆极化天线在一些小角度扫描相控阵天线系统具有广泛的应用前景。
2 圆极化辐射单元设计天线结构形式如图1所示分为2个部分。
上层为罩杯天线，下层为天线的馈电网络。
罩杯天线为4层结构，上3层为辐射金属圆盘，最下层为金属反射罩杯。
辐射金属圆盘通过一个金属圆柱支撑杆串连起来。
罩杯天线的4个馈电点位于最下层的金属圆盘贴片。
为了实现罩杯天线辐射场的左右旋圆极化可变，天线的馈电网络采用具有低损耗特性空气板线形式的90o电桥和180o环形电桥组成如图2所示。
通过激励90o电桥不同输入端口实现输出端口相位0o、90o、180o、270o 和270o、180o、90o、0o变化。
通过HFSS对天线单元优化仿真。
一种小规模超宽带相控阵天线设计
一种小规模超宽带相控阵天线设计柏艳英【摘要】目前基于阵元间强耦合效应已设计出超宽带相控阵天线,但是其规模较大.针对规模小或者在扫描方向上规模小,如何增强阵元间耦合而实现超宽带相控阵天线的问题,采用平衡对踵Vivaldi天线(BAVA)作为天线单元,优化天线单元辐射金属的形状,并采用镜像法布阵天线单元设计出一个小规模4×16的斜极化超宽带相控阵天线.仿真和试验结果表明,采用的方法可以增强小规模超宽带相控阵天线的阵元间耦合效应,实现频率0.8f0~2.0f0(f0为工作频率)驻波比小于2,法向增益达17.34~23.0 dBi,在±45°范围内实现无栅瓣扫描.该小规模超宽带相控阵天线已在实际工程中应用.%At present,a lot of ultra-wideband(UWB) phased arrays have been designed based on the strong mutual coupling between the array elements.But the UWB phased arrays are large.For a small scale or a small scale array in the scanning direction,the problem of how to achieve the ultra-wideband perform-ances by enhancing the mutual coupling between the array elements is necessary to be developed.In this paper,Balanced Antipodal Vivaldi Antennas (BAVAs) are adopted. By optimizing the radiation metal shape and arranging the direction of the antenna elements with mirroring technique,a small 4×16 oblique polarization UWB phased array is designed.The simulation and experiment results show that this method can enhance the mutual coupling between the small UWB array elements. The array has a good voltage standing-wave ratio(VSWR) less than 2.0 in the frequency 0.8f0~2.0f0(f0is the operation frequency), norm gain 17.34 ~23.0 dBi,and large scanning angle beyond 45° without gratinglobes. The designed small scale UWB phased array antenna has been applied in engineering.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2018(058)002【总页数】5页(P214-218)【关键词】超宽带相控阵天线;平衡对踵Vivaldi天线(BAVA);阵元耦合;镜像技术;大角度扫描【作者】柏艳英【作者单位】中国西南电子技术研究所,成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN822.81 引言超宽带相控阵天线是天线综合技术发展的一个重要方向，有利于满足成本、尺寸、重量、性能要求，减少传感器综合的天线总数，实现天线资源的高度综合和高效共享。
基于极化状态配置的宽带相控阵极化控制方法
基于极化状态配置的宽带相控阵极化控制方法
王占领;庞晨;殷加鹏;李永祯;王雪松
【期刊名称】《系统工程与电子技术》
【年(卷),期】2022(44)3
【摘要】传统的固定极化状态存在交叉极化隔离度低且有效的扫描角度范围窄等问题,制约了相控阵雷达中极化信息的充分利用。
为提高交叉极化隔离度,并解决宽带相控阵中波束方向图畸变问题,提出一种基于极化状态配置方法的宽带相控阵极化方向图综合方案。
通过优化不同波束指向的极化状态,并利用有限长单位冲激响应(finite impulse response, FIR)数字滤波器建立宽带阵列方向图综合模型,实现对极化方向图的控制。
仿真结果表明,该方法能够有效降低主极化和交叉极化方向图的频率响应,抑制主极化的旁瓣和交叉极化水平。
将宽带相控阵的交叉极化隔离度在宽角扫描范围内保持在较高水平,能够满足实际极化相控阵应用的指标需求。
【总页数】7页(P795-801)
【作者】王占领;庞晨;殷加鹏;李永祯;王雪松
【作者单位】国防科技大学电子科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN821.8
【相关文献】
1.基于单层线-圆极化转换聚焦超表面的宽带高增益圆极化天线设计
2.Ka频段超宽带双圆极化低剖面相控阵天线
3.一种宽带宽角双极化相控阵天线单元研究
4.一种
双极化宽带相控阵贴片天线的设计5.基于极化去极化电流法的电力电容器绝缘状态检测方法研究
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一种小型化宽频双极化基站天线辐射单元的仿真设计
一种小型化宽频双极化基站天线辐射单元的仿真设计唐雨果【摘要】基于设计一种小型化的宽频双极化基站天线辐射单元的目的,采用减少辐射单元尺寸的方法实现小型化,应用阻抗匹配优化辐射单元的电压驻波比,利用局部不对称设计等优化方法提高交叉极化比和隔离度等参数.通过HFSS软件对天线性能进行了仿真,给出了1.71～2.69 GHz频段的驻波比和隔离度随频率变化的曲线,以及辐射方向图特性参数,最终得到的辐射单元尺寸比常见的宽频双极化基站天线辐射单元尺寸减少32％且性能完全符合移动通信行业标准.%In the paper, a design of a miniaturized broadband dual-polarized dipole base station antenna is presented. The design reduces the radiation unit size to achieve miniaturization, and optimizes the radiation unit voltage standing wave ratio (VSWR) with impedance matching, and adopts partial asymmetry design to improve the isolation and the cross polarization ratio. The paper uses HFSS to simulate the design. The paper presents the VSWR and the isolationcurve in the frequency range of 1.71～2.69 GHz, and presentsradiation pattern characteristics parameters. As a result, the size of the design is reduced by 32％in the same industry standard for mobile communication.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)018【总页数】4页(P143-146)【关键词】基站天线;宽频带;小型化;双极化【作者】唐雨果【作者单位】武汉邮电科学研究院湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TN92移动通信技术的发展，给人们带来了好处的同时，也带来了一些技术上的问题，其中之一就是移动通信的制式越来越多。
一款双频双宽带双圆极化Fabry
现代电子技术Modern Electronics Technique2023年11月1日第46卷第21期Nov. 2023Vol. 46 No. 210 引 言随着信息技术的迅猛发展，空天地海一体化通信系统已经成为未来通信网络的发展趋势，卫星通信具有覆盖范围广、不受地理条件限制等优点，其作为天基通信的重要组成部分和未来6G 网络技术发展的重要方向，已经成为学术界研究的热点[1]。
天线作为卫星通信系统的关键组成部件之一，要求具有宽带宽、高增益、圆极化和结构简单、易于集成等特性。
由于法布里⁃珀罗（Fabry Perot, FP ）谐振腔天线具有增益高、馈电简单的特性，自从其诞生以来便受到了学术界的广泛关注[2]。
FP 天线具有馈电结构简单、增益高的优点，近年来学术界对于FP 天线的双频段工作、宽带性能以及如何实现圆极化辐射做了大量研究工作，其在卫星通信系统中有良好的应用潜力。
对于FP 天线的双频工作特性[3⁃5]，可采用频率选择表面（Frequency Selective一款双频双宽带双圆极化Fabry⁃Perot 谐振腔天线吕 军1， 钟选明2（1.国能包神铁路有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.成都交大运达电气有限公司， 四川 成都 610000）摘 要： 文中设计了一款双频双宽带双圆极化的法布里⁃珀罗（FP ）谐振腔天线。
传统的FP 天线具有高增益特性但是难以实现宽带及双频带工作，为了改善其性能，提出一种具有双频正相位梯度的部分反射表面，利用其正相位梯度特性弥补电磁波频率升高带来的空间相位变化，从而在较宽的带宽内满足FP 天线的谐振条件以实现宽带辐射。
通过加载寄生贴片以及缝隙耦合馈电的方式设计宽带圆极化馈源，并且采用人工磁导体结构替代传统的金属地板，在同一谐振腔高度下满足两个频段的谐振条件，简化了双频FP 天线的结构。
全波仿真结果表明，所提出的FP 天线3 dB 轴比带宽分别为10.1%和13.8%，峰值增益达到12.45 dBi 和11.9 dBi ，3 dB 增益带宽分别为11.5%和14.8%。
宽带宽角有源相控阵天线单元研究
宽带宽角有源相控阵天线单元研究1. 本文概述随着无线通信技术的飞速发展，宽带宽角有源相控阵天线作为现代无线通信系统的核心组件，其性能优劣直接关系到通信系统的整体性能。
本文旨在深入研究宽带宽角有源相控阵天线单元的设计和优化，以适应日益增长的无线通信需求。
本文将对宽带宽角有源相控阵天线的基本原理和关键技术进行介绍。
通过理解天线的工作原理和性能参数，为后续的设计和优化工作奠定理论基础。
接着，本文将分析现有宽带宽角有源相控阵天线的设计方法和存在的问题，为本文的研究提供背景和方向。
在此基础上，本文将重点探讨宽带宽角有源相控阵天线单元的优化设计。
通过优化天线单元的结构和参数，提高天线的宽带宽角性能，以满足现代无线通信系统的需求。
本文还将研究天线单元的阵列布局和馈电网络设计，以提高整个相控阵天线的性能。
本文将通过仿真和实验验证所设计的宽带宽角有源相控阵天线单元的性能。
通过对比分析和性能评估，验证所提出的设计方法和优化策略的有效性。
本文的研究成果将为宽带宽角有源相控阵天线的实际应用提供有益参考和指导。
通过本文的研究，期望能够为宽带宽角有源相控阵天线单元的设计和优化提供新的思路和方法，推动无线通信技术的发展和创新。
2. 宽带有源相控阵天线单元的理论基础在现代通信系统中，天线作为无线信号的发射与接收装置，扮演着至关重要的角色。
有源相控阵天线单元，作为一种先进的天线技术，其理论基础主要涉及电磁学、信号处理以及天线阵列设计等领域。
电磁学原理是理解天线工作机制的核心。
天线单元通过电磁场的相互作用来实现信号的转换，这要求对电磁波的传播、辐射和耦合等现象有深入的理解。
在宽带有源相控阵天线的设计中，需要考虑频率范围的扩展对电磁特性的影响，以及如何通过结构设计实现宽带辐射特性。
信号处理技术在有源相控阵天线中发挥着重要作用。
通过对天线阵列中各个单元的相位和幅度进行精确控制，可以实现波束的形成、指向和跟踪。
这涉及到数字信号处理、自适应算法以及波束形成技术的深入研究。
一种超宽带、大扫描角Vivaldi天线阵列
一种超宽带、大扫描角Vivaldi天线阵列刘阳洋;任宇辉;伍捍东;高宝建【摘要】A double-faced Vivaldi antenna is designed and tested.Through optimizing structure design,the feeding efficiency and the impedance bandwidth of the antenna are improved.Meanwhile,the mutual coupling between the elements is greatly reduced when the antenna is used for an array.The measured results show the return loss of the presented antennais less than-10 dB from 2 to 8 GHz and the average gain is larger than 5 dBi.An ultra-wideband array is also formed by the Vivaldi antenna.In this array,the idea of "staggered arrangement" is adopted.This method can effectively solve the contradiction between the sizes and the spacing of antenna elements.So,the grating lobe of the array is suppressed,and the beam scanning angle range is markedly increased.The simulation analysis shows that the scanning angle of the staggered array of E-field is improved at least 20 degrees in 4-6 GHz.%设计并加工测试了一款双面Vivaldi 天线.通过结构优化,提高了馈电效率和阻抗带宽,并在组阵后显著降低了阵元间的互耦.实测结果表明该天线可以实现在2～8 GHz的频带内回波损耗(Return Loss,RI)、于-10 dB,平均增益大于5 dBi.并采用“交错排i列”的思路,将所设计的双面Vivaldi天线组成超宽带阵列.此种方式可以有效解决天线尺寸和最佳阵列间距之间的矛盾,进而抑制栅瓣,增大波束扫描角范围.仿真分析表明,在4～6 GHz时,E面交错阵列比普通一维阵列的扫描角范围提高20°左右.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2016(031)006【总页数】8页(P1099-1106)【关键词】超宽带阵列;波束扫描;Vivaldi天线;大扫描角【作者】刘阳洋;任宇辉;伍捍东;高宝建【作者单位】西北大学信息科学与技术学院,西安710127;西北大学信息科学与技术学院,西安710127;西安恒达微波技术开发公司,西安710100;西北大学信息科学与技术学院,西安710127【正文语种】中文【中图分类】TN823随着无线通信技术的快速发展,人们要求其天线系统具有增益高、频带宽、旁瓣低以及波束指向可控等特性. 而在实际应用中,由于单个天线的辐射特性很难同时满足上述要求,因此具有超宽频带、大扫描角特性的波束扫描阵列越来越受到人们的关注[1-2].要设计出同时具有超宽带、大扫描角特性的相控阵天线,必须从阵列单元的设计和组阵方式的优化两方面着手. 常见的超宽带天线阵元主要有Vivaldi天线、Bowtie 天线、双锥天线、非频变天线等[3-5]. 其中Bowtie天线往往要引入阻抗变换器和屏蔽腔,结构略显复杂. 双锥天线虽然结构简单,但其增益较低且体积太大. 而非频变天线,比如平面等角螺旋天线,虽然阻抗带宽很宽,但没有稳定的相位中心,不同频率相位中心的变化会导致脉冲的波形失真. 而Vivaldi天线是一种具有超宽频带和较高增益的端射行波天线,它除了辐射性能好之外,还具有尺寸小、易加工、成本低等特点,因此其日益成为多种超宽带阵列的首选[6-8].而对于波束扫描阵列天线,还要考虑优化单元间距和天线尺寸之间的矛盾,合理地调整组阵方式. 进而减小互耦,抑制栅瓣,增大波束扫描角范围. 阵列天线在国内外的研究非常多,但对于其它频段(例如2～6 GHz)的宽扫描角相控阵天线的研究较少.本文首先设计并加工、测试了一款双面Vivaldi天线,其在2～8 GHz的频带内回波损耗小于-10 dB,平均增益大于5 dBi. 双面结构的Vivaldi天线既可以保证系统的超宽频带特性,还能在组阵时有效减少单元间的互耦. 其次,将双面Vivaldi天线单元组成一维扫描阵列,并创新性地采用“交错排列”的思想,有效地抑制了阵列中栅瓣的影响,增大了扫描角度.Vivaldi天线有单面、双面,以及异面、共面等多种结构. 本文采用双面结构主要是为了在组成阵列时减小单元间的互耦. 如图1(a)所示,典型的双面Vivaldi天线单元由金属辐射结构、带状线馈线和介质基板组成. 其中金属辐射结构又包括指数渐变曲线槽线、矩形槽线和圆形腔体三部分. 本设计中: 1)将四分之一波长短路矩形槽线(ls)改进为圆形腔结构; 2)将四分之一波长开路带状线(lm)改进为一个扇形结构; 3)在天线单元的槽线周围布满金属化孔. 这些措施可以提高耦合效率,展宽带状线-槽线巴伦的阻抗带宽,并且避免阵列天线宽角扫描波束出现盲斑[9].金属辐射结构的指数曲线模型满足[10]:y=±(c1eRx+c2),式中: P1(x1,y1)为指数渐变曲线起点坐标;P2(x2,y2)为终点坐标;R表示曲率.对于带状线-槽线巴伦结构则有[11-12]:Zm=N2Zs,式中: Zs指槽线特性阻抗; Zm指微带线特性阻抗; N指带状线与槽线间的耦合因子. 本设计中,带状线和金属辐射结构都采用厚度t=0.036 mm的铜箔,介质基板采用εr=2.65,h=2 mm,tan δ=0.001的微波复合介质. 其它参数根据公式(1)～(4)确定,具体如表1所示.图2(a)所示为单面Vivaldi天线与双面Vivaldi天线回波损耗曲线对比,可看出加载金属化孔的双面Vivaldi天线回波损耗有明显降低.图2(b)所示为双面Vivaldi天线仿真与实测回波损耗曲线,受实验环境、加工误差等因素的影响,实测比仿真结果在低频段稍差一点,但仍能基本满足在2～8 GHz的频带内回波损耗(Return Loss,RL)小于-10 dB. 图3给出了天线在2、4、8 GHz的实测方向图. 可看出随着天线的工作频率升高,增益变大,波束变窄.2.1 传统一维阵列天线的设计与分析传统的一维阵列有两种排列方式.如图4(a)所示,阵元沿着天线磁场方向排列,称为H 面阵列. 而在图4(b)中,阵元沿着电场方向排列,则为E面阵列. 根据阵列天线理论,为了抑制栅瓣的出现,阵元间距d需满足式中: λmin为工作频段内高频对应的最短波长; θ为天线主瓣辐射方向和阵列法向之间的夹角,而θmax为这个角度的最大值. 本设计中考虑互耦和栅瓣的影响,我们选择d=0.7λmin.以双面Vivaldi天线为阵元,按照图4所示排列方式组成1×32的阵列. 但当组成E 面阵列时发现因为天线单元宽度约为1.5λmin,无法满足d=0.7λmin的条件. 因此,图4(b)所示E面阵列的间距并不是最佳选择.给32个天线单元取等幅分布,加上渐进的相位: φ=-nkdsin θmax(n=0,1,…,31, k 为波数). 当φ=0时,天线的主瓣辐射方向为阵列的法向(θ=0°),此时阵列天线的扫描方向图用ph0表示; 当φ=φmax时,天线的主瓣指向最大扫描角度(θ=θmax),此时阵列天线的扫描方向图用ph1表示. 工程中规定阵列天线方向图栅瓣与主瓣幅值相差不小于10 dBi,故当栅瓣与主瓣幅值相差等于10 dBi时所对应的θ值即为最大扫描角度θmax. 我们依次改变θ值,通过HFSS软件的参数扫描功能仿真阵列方向图,确定阵列的最大扫描角度,由于组成阵列之后,回波损耗只在2～6 GHz达到-10 dB以下,因此阵列扫描只分析2、4、6 GHz三个频点的方向图,传统一维阵列扫描结果如图5所示.通过分析可知:1)阵列的扫描角度范围随着频率的增大而减小; 2)对于E面阵列,由于其固有尺寸使得阵元间距d>0.7λmin,所以在中、高频段其栅瓣较大,无法实现波束扫描功能.2.2 交错阵列天线的设计仿真为了克服传统排列方式中E面阵列在中、高频段无法实现波束扫描的不足,创新性地采用了“交错排列”的思路. 如图6所示,沿着E面或磁场H面将每个双面Vivaldi天线单元错开一段距离(d2)排列,这样就可以保证阵元的间距d1满足公式(5)的要求,进而减小互耦、抑制旁瓣和提高波束扫描范围. 本设计中,我们通过参数优化选定d1=0.7λmin,d2=0.5λmin.同样,对所设计阵列加上渐进的相位. 为了降低阵列旁瓣电平,对阵列采用Taylor分布进行幅度加权[13]. 这里设计旁瓣电平小于-20 dBi,等旁瓣数为3. 依次改变θ值,阵列的最大扫描角度如图7所示. 将之前设计的传统阵列和改进后的交错阵列方向图特性进行比较,结果见表2.综上分析,当我们将传统阵列改进为交错阵列后:1)阵列的增益变化不大,且θ=0°和θ=θmax是增益相差在3 dBi以内; 2)阵列的波束扫描范围有了较大改进. 尤其是对E面阵列而言,因为交错排列使得阵元间距满足了最佳条件,波束扫描范围大大增加; 3)由于交错排列时采用了Taylor阵列综合的方法,阵列的旁瓣电平也比等幅分布时平均下降了4.7 dBi,系统的抗干扰性能大大改善. 4)尽管本文设计的双面Vivaldi天线单元其阻抗带宽可达四倍频程(RL<-10 dB),但分析单元及阵列的方向图特性,其最佳工作频段为三倍频程(2～6 GHz).最后,加工了试验件,实物照片如图8所示. 但由于目前还缺少T/R组件等其他的一些设备、器件,因此暂时无法对天线系统的方向图扫描特性进行测试.2014年叶国华在文献[14]提出了一种机载宽带Vivaldi相控阵天线,在8～12 GHz的范围内实现波束扫描功能,本文则设计、加工、测试了一款工作于2～8 GHz的Vivaldi天线. 为了减小单元间的互耦,使其更加适合组成阵列天线,将经典单面Vivaldi天线改进成双面结构,并且在天线单元的槽线周围布满金属化孔. 其次,针对传统阵列中天线尺寸和阵元间距之间的矛盾,创新性地采用“交错排列”的思路,使阵列在2～6 GHz内实现波束扫描功能. 此外,其思路可方便地扩展到多维面阵中去.刘阳洋 (1991-),女,陕西人,西北大学助理工程师,研究方向为超宽带阵列天线.任宇辉 (1980-),男,陕西人,西北大学讲师,西北工业大学博士. 主要研究方向:电磁场与微波技术,人工电磁材料设计及其应用.伍捍东 (1952-),男,江苏人,研究员级高级工程师,西安恒达微波技术开发公司总工程师; 中国电子学会微波分会、天线分会委员; 海峡两岸无线科技研讨会顾委委员. 主要从事微波天线、微波元器件、微波测量等方面的研究.高宝建 (1965-),男,陕西人,副教授,西北大学网络与通信工程系主任,主要从事“微波技术与天线”及“通信信号处理”研究与教学.【相关文献】[1] KHIDRE A, YANG F, ELSHERBENI A Z. Circularly polarized beam-scanning microstrip antenna using a reconfigurable parasitic patch of tunable electrical size [J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2015, 63(7): 2858-2866.[2] 陈宏伟, 张广求, 雷雪, 等. 波束扫描微带反射阵天线设计[J]. 西安电子科技大学学报, 2015, 42(6): 196-200.CHEN H W, ZHANG G Q, LEI X, et al. Design of beam scanning microstrip reflectarray antenna[J]. Journal of Xidian University, 2015, 42(6):196-200. (in Chinese)[3] RAUT S, PETOSA A. A compact printed bowtie antenna for ultra-wideband applications[C]//European Microwave Conference. IEEE, Rome, 29 September-1 October, 2009: 81-84.[4] 周世钢, 孙保华, 刘其中. 一种改进型全向宽带双锥天线的研究[J]. 电波科学学报, 2009, 24(2): 224-227.ZHOU S G, SUN B H, LIU Q Z. Analysis and design of a novel omni-directional broadbandbiconical antenna for mobile communication[J]. Chinese journal of radio science, 2009,24(2): 224-227. (in Chinese)[5] 方庆园, 金铭, 宋立众, 等. 微带线-槽线馈电缝隙等角螺旋天线设计[J]. 电子与信息学报, 2014, 36(1): 228-233.FANG Q Y, JIN M, SONG L Z, et al. Design of slot equiangular spiral antenna fed by microstrip to slotline[J]. Journal of electronics & information technology, 2014, 36(1): 228-233. (in Chinese)[6] SCHAUBERT D H, KASTURI S, BORYSSENKO A O, et al. Vivaldi antenna arrays for wide bandwidth and electronic scanning[C]//The Second European Conference on Antennas and Propagation. IET, Edinburgh, 2007:1-6.[7] WANG Y W, WANG G M, ZONG B F. Directivity improvement of Vivaldi antenna using double-slot structure[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2013, 12: 1380-1383.[8] ZHOU B, YANG Y, LI H, et al. Beam-steering Vivaldi antenna based on partial Luneburg lens constructed with composite materials[J]. Journal of apply physics, 2011, 110: 084908.[9] ZHANG P, ZHANG W X. Ultra-wideband bilateral tapered slot-line antenna fed by coplanar waveguide[J]. Journal of Southeast University(English edition), 2011, 27(2): 128-131.[10] GIBSON P J. The Vivaldi aerial[C]//9th European Microwave Conference. IEEE, Brighton, 1979:101-105.[11] GUPTA K C, GARG R, BAHL I, et al. Microstrip lines and slotlines[M]. London: Artech House, 2007: 306-308.[12] SCHUPPERT B. Microstrip/slotline transitions: modeling and experimental investigation[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 1988, 36(8):1272-1282.[13] 任宇辉, 高宝建, 伍捍东, 等. 基于单脊波导缝隙阵列天线研究[J]. 电波科学学报, 2014, 29(2): 391-396.REN Y H, GAO B J, WU H D, et al. Single ridge waveguide-based slot array[J]. Chinese journal of radio science, 2014, 29(2): 391-396. (in Chinese)[14] 叶国华. 机载宽带Vivaldi天线及组阵技术的研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2014.YE G H. Research on airborne broadband Vivaldi antenna and array technology[D]. Chengdu: University of Electronics Science & Technology of China, 2014.(in Chinese)。
超宽带天线与相控阵天线系统研究
超宽带天线与相控阵天线系统研究一、本文概述随着无线通信技术的飞速发展，超宽带天线与相控阵天线系统在现代通信、雷达、电子战等领域的应用日益广泛。
超宽带天线以其宽频带、高数据传输速率和低功耗等特性，在无线通信系统中发挥着重要作用。
而相控阵天线系统则通过电子扫描方式实现波束的快速切换和灵活控制，具有高度的空间分辨率和抗干扰能力。
本文旨在深入探讨超宽带天线与相控阵天线系统的基本原理、设计方法、性能优化以及在实际应用中的挑战和解决方案。
本文将首先介绍超宽带天线和相控阵天线系统的基本理论和关键技术，包括天线辐射原理、阵列天线理论、波束形成与控制技术等。
随后，将重点分析超宽带天线的设计要点和性能优化方法，包括天线结构、材料选择、阻抗匹配等方面。
还将探讨相控阵天线系统的阵列配置、波束赋形算法以及信号处理技术等关键问题。
在此基础上，本文将进一步分析超宽带天线与相控阵天线系统在无线通信、雷达探测、电子战等领域的应用案例，以及在实际应用中可能遇到的挑战和解决方案。
将总结当前研究的不足之处，并展望未来的发展趋势和研究方向，为相关领域的研究人员提供有益的参考和启示。
二、超宽带天线的基本理论超宽带（Ultra-Wideband，UWB）天线是一种能够在极宽的频率范围内有效辐射和接收电磁波的天线。
其基础理论涉及电磁场理论、天线辐射原理以及超宽带信号的特性等多个方面。
从电磁场理论的角度来看，超宽带天线的设计必须考虑到天线在不同频率下的电磁特性，包括其辐射电阻、方向性、增益、带宽等参数。
这些参数不仅影响着天线的辐射效率，也直接关系到超宽带系统的整体性能。
天线辐射原理是超宽带天线设计的核心。
超宽带天线需要能够在很宽的频带内实现高效的能量辐射和接收，这就要求天线的设计必须充分考虑到电磁波的发射和接收特性，如天线的极化、波束宽度、波束指向等。
超宽带信号的特性也对天线设计提出了特殊的要求。
超宽带信号通常具有极短的脉冲宽度和极高的带宽，这使得超宽带天线需要具备良好的时域响应特性，以便在极短的时间内准确地捕获和处理信号。
一种小型宽带双极化5G_基站天线
第 21 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.21，No.7Jul.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology一种小型宽带双极化5G基站天线陈娅莉a，刘倩倩a，李山东b，宗卫华*b(青岛大学 a.电子信息学院；b.物理科学学院，山东青岛266071)摘要：设计了一种适用于2G/3G/4G/5G移动通信的小型宽带±45°双极化基站天线。
该天线由2对偶极子辐射片、2条微带馈线和1块反射板组成，辐射臂和微带馈线采用双面印刷工艺印刷在0.8 mm厚的FR4板，并固定放置于开有圆形槽的反射板上。
对天线实物进行加工测试，测试结果表明，端口1工作频段为1.82~3.60 GHz，端口2工作频段为1.64~3.41 GHz；工作频段内，反射系数小于-10 dB，端口隔离度优于18 dB；交叉极化比在视轴方向大于17 dB，±60°方向大于15 dB；半功率波束65°左右，前后比优于18 dB，测试和仿真结果较吻合。
所设计天线带宽宽，尺寸小，且制作工艺简单，成本低廉，适合批量生产，应用于5G移动通信基站中。
关键词：基站天线；5G天线；双极化天线；宽带天线；小型天线中图分类号：TN828.6 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021074A miniaturized broadband dual-polarized antenna forA miniaturized broadband dual-polarized antenna for 55G base stationCHEN Yali a，LIU Qianqian a，LI Shandong b，ZONG Weihua*b(a.School of Electronic and Information；b.School of Physics Science，Qingdao University，Qingdao Shandong 266071，China)AbstractAbstract：：A ±45° dual-polarized base station antenna with a small size and a broad bandwidth for 2G/3G/4G/5G mobile communication is proposed in this paper. The proposed antenna comprises twopairs of dipole radiation patches, two microstrip feedlines and a reflector. The radiation patches andmicrostrip feedlines are printed on a FR4 substrate with a thickness of 0.8 mm, using a process calleddouble-sided printed circuit board. The reflector is grooved a circular slot and the antenna is fixed aboveit. The prototype of the proposed antenna is fabricated and measured. The results show that it has abandwidth of 1.82~3.60 GHz(port1) and 1.64~3.41 GHz(port2) respectively, during which, the reflectioncoefficient is less than -10 dB, the port isolation is better than 18 dB, the cross polarizationdiscrimination is better than 17 dB in the boresight direction, and better than 15 dB in ±60° directions,the half power beam width is approximately 65° and the front-to-rear ratio is better than 18 dB. With theadvantages of wide bandwidth, small size, simple manufacturing process and low cost, the proposedantenna is suitable for mass production and is an excellent candidate for applications in 5G mobilecommunication base station.KeywordsKeywords：：base station antenna；5G antenna；dual-polarized antenna；broadband antenna；miniaturized antenna5G New Ratio是基于正交频分复用技术，拥有全新空口的全球性5G标准，可分为sub-6 GHz低频频段(0.45~ 6 GHz)和高频毫米波频段(24.25~52.6 GHz)。
宽带宽角有源相控阵天线单元研究
宽带宽角有源相控阵天线单元研究一、综述随着科技的不断发展，宽带宽角有源相控阵天线单元在雷达、通信、导航等领域的应用越来越广泛。
本文将对宽带宽角有源相控阵天线单元的研究进行综述，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
宽带宽角有源相控阵天线单元作为有源相控阵天线的一种，具有高增益、宽波束、高分辨率等优点。
随着电子技术的不断进步，宽带宽角有源相控阵天线单元的研究取得了显著的进展。
从最初的硅基材料到现在的砷化镓、氮化镓等第三代半导体材料，天线单元的性能得到了极大的提升。
随着微电子技术和封装技术的不断发展，宽带宽角有源相控阵天线单元的尺寸逐渐减小，重量也越来越轻，为实际应用提供了更多的可能性。
在宽带宽角有源相控阵天线单元的研究中，阵列形式、指向控制、功率分配等方面都是重要的研究方向。
阵列形式主要包括矩形、圆形、六边形等，不同的阵列形式具有不同的优缺点，适用于不同的应用场景。
指向控制是通过改变每个辐射元的相位差来实现波束的指向控制，是提高天线性能的关键技术之一。
功率分配则是通过合理分配各个辐射元的功率，实现阵列的高效率、高增益等性能。
宽带宽角有源相控阵天线单元的研究还涉及到与其他系统的集成问题，如与微波毫米波系统的集成、与射频前端模块的集成等。
这些集成问题对于提高系统的整体性能具有重要意义。
宽带宽角有源相控阵天线单元作为现代通信和雷达系统的重要组成部分，其研究具有重要的理论价值和实际意义。
随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，宽带宽角有源相控阵天线单元的性能将得到进一步的提升，为实际应用带来更多的便利。
1.1 研究背景与意义随着科技的飞速发展，宽带宽角有源相控阵天线单元在现代通信系统中扮演着越来越重要的角色。
这种天线单元具有高增益、宽波束、低副瓣以及可调节的方向图等特点，因此在雷达、卫星通信、移动通信等领域具有广泛的应用前景。
如何实现高增益与宽波束之间的平衡？传统天线设计往往在提高增益的会导致波束宽度变窄，这在某些应用场景中可能无法满足需求。
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图4
Vivaldi 天线单元与金属匹配柱实物
在 HFSS11． 0 中建立双极化单元模型， 在周期边 界条件下进行仿真优化， 阵中双极化单元 2 个激励端 口法线方向的驻波曲线如图 5 所示， 从仿真结果中可 ， Vivaldi 以看出 本文设计的双极化 天线单元的驻波带 宽达到了 3 倍频程以上。
0
引
言
因槽的形状不同而使天 衬底层的金属板上开槽而成， 线有多种形式， 如指数渐变开槽天线（ Vivaldi） ， 线性渐 LTSA ） 、 变开槽天线 （ Linearly Tapered Slot Antenna， 固 CWSA ） 定宽度开槽天线（ Constant Width Slot Antenna， ， 对它们激励可以采用常规的微带线、 带状线等 馈电结构来完成。开槽天线亦属于微带类结构， 具有 等 重量轻、 体积小、 成本低、 便于设计加工、 易于大规模集 成等优势， 不仅能实现宽带与双极化， 而且还可以提供 宽的空间扫描角度， 通过合适的匹配网络， 其效率也能 。 达到一定的要求 Vivaldi 天线具有体积小、 宽频带、 结构简单等优 点， 适于用作宽带宽角扫描相控阵天线的阵列单元 。 综合考虑上述几种宽带天线后及 Vivaldi 天线特点， 本 文采用 Vivaldi 单元形式。
第 33 卷 第 11 期 2011 年 11 月
现代雷达 Modern Radar 中图分类号： TN82 文献标志码： A
Vol． 33 No． 11 Nov． 2011 文章编号： 1004－7859 （ 2011 ） 11－0059－04
·天馈伺系统·
一种宽带宽角双极化相控阵天线单元研究
1 1 1， 2 1， 2 于大群 ， 吴鸿超 ， 何丙发 ， 朱瑞平
通信作者： 于大群 0702 收稿日期： 2011Email： yulipii@ 163． com 1021 修订日期： 2011-
1
单元设计
首先进行单极化 Vivaldi 天线单元的仿真优化， 然 后再对单极化 Vivaldi 天线单元互相垂直排布得到的 双极化单元进行仿真优化， 这样从单极化单元到双极 化单元的设计可以大大提高整个天线设计的效率 。 1． 1 单极化 Vivaldi 天线单元设计 Vivaldi 天线是一种按指数规律渐变的槽形天线 ， — 59 —
2011 ， 33 （ 11 ）
现代雷达
在理论上， 具有无穷的带宽。由于其馈电方式的不同， 形成具有各自特点不同形式的 Vivaldi 天线。我们在设Байду номын сангаас计中， 采用了带状线的馈电方式， 该形式的 Vivaldi 天 同微带线馈电方式相比， 具有更好的宽带特性以及 线， 通过在天线单元上增加金属化过孔来 极化纯度。同时， 消除频带内扫描驻波的奇异点。为减小天线的损耗， 提 高辐射效率， 采用低介电常数的介质板材料进行设计加 工。Vivaldi 天线的 HFSS 仿真模型如图 1 所示。
图9
阵中单元辐射波瓣测试框图
图 10
阵中心水平极化单元辐射波瓣（ H 面）
— 61 —
2011 ， 33 （ 11 ）
现代雷达
图 11
阵中心水平极化单元辐射波瓣（ E 面） ［ 3］ Lee K F，Chen W． Advanced in microstrip and printed antennas［ M］ ． New York： Wiley Interscience， 1997． ［ 4］ 任 波， 吴鸿超， 朱瑞平， 等． 渐变槽线天线的参数分析 J］ ． 现代雷达， 2010 ， 32 （ 11 ） ： 58－62． 与设计［ Ren Bo，Wu Hongchao，Zhu Ruiping，et al． Analysis and design of parameters in tapered slot antenna［J］ ． Modern Radar， 2010 ， 32 （ 11 ） ： 58－62． ［ 5］ Frank B G． Frontiers in antennas： next generation design ＆ engineering［ M］ ． New York： McGrawHill， 2011．
［5 ］
2
2． 1
双极化 Vivaldi 天线阵列测量
双极化 Vivaldi 天线阵列样机 加工 81 点（ 9 ×9 ） 双极化天线阵列样机， 对阵列的
， 这就给双极化 Vivaldi
中心单元的有源驻波和阵中单元波瓣进行测试 ， 带金 属匹配柱的双极化天线阵列样机如图 6 所示。
·天馈伺系统·
于大群， 等： 一种宽带宽角双极化相控阵天线单元研究
［3 ］
在日益严重的电磁环境背景下， 具备宽带多功能 相控阵体制的雷达已成为先进雷达的重要发展方向 。 现代战争也对雷达提出了新的要求， 利用宽带相控阵 完成对雷达、 电子战、 通信等多功能的一体化设计， 以 提高其对抗及隐身能力
［1 ］
。 雷达功能的需求牵引均
对相控阵天线技术尤其是固态有源相控阵天线技术提 出了非常高的要求， 相控阵天线技术必将沿着宽带化 、 多极化的方向飞速发展。 要实现宽带相控阵， 首先组成天线阵列的辐射单 元必须具备宽带的性能， 这也有许多选择。 TEM 喇叭 天线能够达到 2 个倍频程， 并且波束对称、 增益高， 其 他常见的宽带天线还有螺旋天线、 对数周期天线等形 ［2 ］ 式 ， 但都需 要 馈 电 巴 伦， 而 且 天 线 的 体 积 也 较 大。 但是在常规的相控阵天线结构要求下， 上述的天线形 式都不适合与后端的微波电路集成， 使得加工制作遇 到了困难。 开槽天线， 属于端射行波天线， 通过在涂覆于介质
A Antenna Element for Dualpolarized Wideband Wideangle Phased Array
2 2 YU Daqun1 ， WU Hongchao1 ， HE Bingfa1， ， ZHU Ruiping1，
（ 1． Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039 ，China） （ 2． National Key Laboratory of Antenna and Microwave Technology， Nanjing 210013 ，China）
天线阵列的设计、 加工及安装带来诸多困难。 本文设 如图 计的金属匹配柱安装在双极化天线单元之间， 3b） 所示。单元之间安装金属匹配柱使得相邻单元的 从而解决了接地连续的问题， 并且金 金属臂相互接触， 让 属匹配柱对双极化天线单元还起到了定位的作用 ， Vivaldi 天线单元与金属匹配柱实 整个阵面整齐美观， 物如图 4 所示。
3
结束语
此双极化宽带天线采用指数渐变开槽 Vivaldi 天 线单元形式， 通过合理的设计和优化， 保证了双极化天 二维大角度扫描等性 线在 6 GHz ～ 18 GHz 内的匹配、 能。该双极化天线形式具有体积小、 重量轻、 易集成等 诸多优点， 通过设计金属匹配柱安装在天线单元之间 ， 在天线性能得到保证的基础上， 使之更适合工程应用。 2 组指数开槽天线阵列相互垂 在相控阵天线系统中， 直排布来实现双极化， 借助后端的 T / R 组件移相器可 非常灵活。 以实现任意极化， 参考文献
2011 ， 33 （ 11 ）
图6
双极化天线阵列样机
2． 2
阵中单元有源驻波测量 有源驻波通过被测单元的自反射与其他所有单元
之间的互耦进行矢量合成计算得到， 测试框图如图 7 所示， 测得的 S 参数按式 （ 1 ） 进行矢量合成计算得到 阵中待测单元的有源驻波。 2． 3
图8 水平极化阵中单元的有源扫描驻波曲线
图7
M
阵中单元有源驻波测试框图
N －j（ p －m） kd xsinθ ocoso
波瓣图， 可以看出， 该双极化天线单元在 6 GHz ～ 18 GHz 带宽内具有良好的辐射性能。
Γmn（ θo ， o ） ≈ Σ Σ Smn， pq e
p = 1q = 1
e －j（ q －n） kdysinθosino （ 1）
阵中单元波瓣测量 在微波暗室内， 对阵列样机的中心双极化单元的
阵中辐射波瓣进行测量， 测试平台如图 9 所示搭建， 除 其他所有单 阵中被测单元接发射（ 也可以作接收 ） 外， 元接匹配负载。图 10 ～ 图 11 给出了水平极化单元在 12． 0 GHz、 18． 0 GHz 的 H 面和 E 面的 频点 6． 0 GHz、
式中： S mn， pq 表示 mn 号单元与 pq 号单元的耦合系数 （ S N 与 dx 、 d y 分别表示阵列规模和水平、 参数） ； M、 垂直 方向上的单元间距。图 8 中给出了阵中心水平极化单 元的有源驻波曲线。 （ 注： 由于双极化天线单元矩形 排布， 且水平和垂直的单元间距相同， 中心水平极化单 元与垂直极化单元的" 阵中环境 " 基本相同， 所以这里 只给出了水平极化端口的有源驻波曲线 ） 。 从图 8 中可以看出， 水平极化单元在 3 倍频程内 具有良好的匹配特性， 并且能实现大角度二维扫描。
（ 1． 南京电子技术研究所， 南京 210030 ；
2． 天线与微波技术重点实验室， 南京 210013 ）
摘要： 设计了一种宽带宽角双极化相控阵天线单元， 该天线单元采用指数渐变开槽天线形式， 并设计了金属匹配柱安装在 双极化天线单元之间， 保证了开槽天线的接地连续问题 。依次给出了该双极化天线单元的仿真设计 、 阵列样机的性能测 试， 从仿真和测试结果中可以看出， 该双极化天线在 3 倍频程带宽内具有良好的匹配和辐射特性， 并且能实现大角度二维 体积小、 结构简单等特点， 适于用作宽带宽角扫描相控阵天线的阵列单元 。 扫描。该双极化天线单元具有宽频带 、 关键词： 宽带； 宽角； 双极化； 开槽天线； Vivaldi 天线