基于单腔多辐射模综合的超低剖面贴片天线技术研究

In carrier conformal communication systems, the ultralow-profile patch antenna (UPA) is widely employed. In order to increase the communication capacity and detection range of the system, the UPA should have the wide-bandwidth and wide-beamwidth properties simultaneously. However, all of these reported techniques are unable to achieve these performances. Hence, the research on how to acquire the wide-bandwidth and wide-beamwidth for the UPA is one of unsolved advanced projects for carrier conformal antennas design. In this project, the study on wide-bandwidth and wide-beamwidth UPA will be investigated based on the synthesis of multi-mode radiator in a single cavity. Through the theoretical analysis of radiation pattern distortions of its high-order modes, the constructing mechanism of good normal radiation patterns for the patch antenna is established under multi-resonant modes. Next, the research on multi-mode impedance characteristic of the patch antenna is carried out, and an ultra-wideband or multi-wideband performance is obtained for the UPA by introducing mode controlling methods. After that, the influence of the key factor on the radiation pattern beamwidth is explored for the patch antenna operating in multi-resonant modes, leading to a wide-beamwidth performance for the UPA via array factor controlling methods. Finally, the impact of conformal platforms on electrical properties of the antenna is further analyzed. As a result, the design approach of the UPA with wide-bandwidth and wide-beamwidth is established via the synthesis of multi-mode radiator in a single cavity, thus laying the foundation for the development of the carrier conformal antenna.

在载体共形通信系统中，超低剖面贴片天线具有广阔的应用背景。为了增强系统的通信容量和探测范围，超低剖面天线需兼顾宽频带和宽波束特性，然而现有技术都无法有效获得。因此研究如何实现超低剖面贴片天线的宽带宽波束性能是载体共形天线研究领域亟待解决的一个前沿课题。本项目拟开展基于单腔多辐射模综合的超低剖面贴片天线的宽带宽波束技术研究。通过对其高次模方向图的畸变原理分析，研究并建立天线的多模良好定向辐射方向图构建机理；其次，对贴片天线的阻抗特性展开研究，并采用模式调控法获得超低剖面贴片天线的超宽带/多频宽带特性；然后，探明影响贴片天线多模方向图波束宽度的关键因素，并采用阵因子调控法获得超低剖面贴片天线的宽波束性能。最后，分析载体平台模型对天线电性能的影响。最终建立起基于单腔多辐射模综合的超低剖面贴片天线的宽带宽波束设计方法，从而为载体共形天线的发展奠定基础。

在载体共形通信系统中，超低剖面贴片天线具有广阔的应用背景。机理明确且统一的通用设计方法，是超低剖面贴片天线高效研制的核心。探索单腔多辐射模的原理性新理论与新方法是本项目重要课题。基于申请人研究的单腔多模多辐射理论，以微带贴片天线为主要实例，研究在保持天线基本结构的前提下，在单个辐射器中激励出多个辐射模式，并结合多种辐射模式调控技术，使其聚合形成超低剖面、宽频带、宽波束等功能融合的天线设计方法。.本项目旨在揭示贴片天线多辐射模综合的工作机理，并在不增加天线结构复杂度、剖面的条件下，实现性能优良的新型高增益、宽波束等超低剖面宽带或多频宽带贴片天线，为载体共形装备中高性能天线单元与阵列研制奠定理论与方法基础。.本项目系统性提出了多模天线理论与设计方法，成功实现了多款具有高性能宽带/多频贴片天线，主要成果如下：(1) 基于单腔多模天线的等效磁流建模方法，综合对天线不同模式下的内场分布进行调控，对高次模不理想的方向图进行改善，最终实现宽波束、稳定辐射、低交叉极化等高性能辐射特性。(2) 基于空腔模型和等效磁流理论，对传统微带贴片天线模式综合调控，利用相互正交的非简并模式实现小型化圆极化天线、轴比带宽展宽圆极化天线、双频双圆极化天线、高隔离度圆极化分集天线。(3) 基于近场调控方法，解决高次模方向图的凹陷、高副瓣等难题，并结合模式调控方法，最终在双频段/多频宽带宽波束天线。(4)对平面缝隙天线、介质谐振天线的模式开展理论研究，实现基于多辐射模综合的实现高性能天线。.以上研究已发表18篇期刊论文和13篇会议论文，其中6篇发表于天线国际顶级期刊IEEE TAP。其次，本项目授权中国发明专利7项，并培养硕士生/博士生11名。本项目的科学意义：(1) 建立了基于单腔多辐射模综合的超低剖面贴片天线的宽带宽波束综合设计方法，实验验证了天线样机的宽带宽波束性能。(2) 为多模综合方法在载体共形、物联网通信等系统中超低剖面共形天线设计提供理论与方法基础。