基于電磁能量人工調(diào)控的多波束天線.pdf

1、多波束天線自20世紀60年代誕生以來，就在衛(wèi)星通信、雷達、電子對抗等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。進入21世紀以來更是廣泛應(yīng)用于被動毫米波成像，毫米波雷達，高數(shù)據(jù)傳輸率的衛(wèi)星通信。傳統(tǒng)反射面多波束天線體積較大且笨重，而相控陣天線的饋電及相移網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，設(shè)計成本高昂。電磁調(diào)控的透鏡類多波束天線則具有成本低波束一致性好優(yōu)點。而變換光學(xué)的出現(xiàn)在人工電磁調(diào)控領(lǐng)域如隱身，幻覺光學(xué)有廣泛應(yīng)用，其中一個重要應(yīng)用的應(yīng)用是設(shè)計多波束天線。
　　本文提出了一種

2、基于變換光學(xué)的N波束天線設(shè)計的一般方法。構(gòu)成該天線的超薄透鏡電磁參數(shù)具有均勻性和單軸各向異性的特點。傳統(tǒng)變換光學(xué)函數(shù)映射會引入電磁參數(shù)的非均勻性，我們采用線性變換函數(shù)，從而消除了透鏡電磁參數(shù)的非均勻性因而更有利于實際工程中的加工設(shè)計。在近場，該轉(zhuǎn)換媒質(zhì)可以使點源輻射的均勻球面波轉(zhuǎn)換為設(shè)計方向的準均勻平面波。表現(xiàn)在遠場上，即點源的全向輻射則變成了各個特定方向的定向輻射。由于變換函數(shù)作用對稱的變換區(qū)域，各波束形狀差異性小，保持了良好的一致性

3、。由于采用單個偶極子天線作為饋源極大地降低了傳統(tǒng)多喇叭天線構(gòu)成的多波束天線系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。同時，轉(zhuǎn)換媒質(zhì)的單層介質(zhì)基板的特性相對于金屬喇叭具有輕量化、體積小的優(yōu)點，降低了成本。
　　為了驗證我們的理論設(shè)計，我們加工制造并測試了一個四波束天線。在簡化的TE模式下，轉(zhuǎn)換媒質(zhì)僅僅需要構(gòu)造介電常數(shù)一個z方向的分量，我們采用介質(zhì)基板上印制金屬帶條人工構(gòu)造了這種媒質(zhì)。測試結(jié)果表明該天線四個波束增益較饋源偶極子天線提高了6dB，由于阻抗的

4、不匹配程度較小，它的帶寬和反射系數(shù)幾乎保持不變。工作在無線局域網(wǎng)覆蓋的5.3 GHz到5.7 GHz頻段內(nèi)，可應(yīng)用于多輸入多輸出系統(tǒng)。針對變換光學(xué)簡化參數(shù)后阻抗不匹配的不足，我們還研究了基于阻抗匹配的惠更斯面電磁調(diào)控，對平面波進行了匯聚和偏折仿真實驗。匯聚實驗仿真結(jié)果表明，匯聚焦點場強為原來1.72倍。我們提出的人工電磁調(diào)控的方法僅僅需要單層透鏡，透鏡電磁參數(shù)具有均勻性和單軸各向異性的優(yōu)點可應(yīng)用于多波束天線系統(tǒng)設(shè)計及其他微波器件的設(shè)計，