内嵌式介质加载的宽带空馈天线研究

New space-fed antennas including folded reflectarray, Fabry-Perot antenna and transmitarray provide a number of advantages that the conventional space-fed antennas do not have, such as low profile, light weight, more design freedoms in beam focusing and shaping as well as the ease of integrating reconfigurable components. However, these antennas suffer from a limited gain bandwidth due to some shared or exclusive reasons. In this proposal, a cavity-embedded dielectric loading approach that will not enlarge the volume of the antenna is proposed to enhance the gain bandwidth of the aforementioned three new space-fed antennas. The idea behind is to extract part of the design purposes, i.e., phase correcting, from the original structure and use the embedded dielectric to realize that. With less constraints in design, the original structure can be easily realized to operate within a wider frequency range and therefore contributes to the enhancement of gain bandwidth. Additionally, the use of embedded dielectric loading increases the degree of design freedom and the presence of the loading dielectric can help to reduce the physical height of the antenna.

包括折叠式反射阵天线、法布里-珀罗天线、透射阵天线在内的一系列新型空馈天线具备剖面低、重量小、天线口面平面化、波束指向及赋形设计更为自由和便于集成可调器件等传统空馈天线难以比拟的优势。但由于一些共性或是个性的原因，这些天线的增益带宽表现并不尽如人意。本项目针对这三种结构相似、工作原理相近的新型空馈天线，提出一种内嵌式介质加载的宽带技术：通过对三种新型空馈天线的内腔进行介质加载，在不额外占用天线腔外空间的条件下，实现增益带宽的提高。此方法的思想是将天线原结构的某一项功能（如相位校准）剥离，分配到新引入的加载介质上。而原结构的功能被分离一部分后，其设计限制减少，有助于打破原结构的带宽瓶颈，拓展天线的工作带宽。特别地，内嵌式的介质加载在增加天线设计自由度的同时，还有助于额外降低腔体的物理高度，达到控制乃至缩减天线体积的效果。

空馈阵列天线作为一类典型的新型高增益天线，具备诸多优势。但此类天线的固有窄带特征也一定程度上限制了其在各类宽带无线通信系统中的应用。本项目的主要研究内容包括：1）基于收发天线构架和磁电偶极子辐射单元的宽带低交叉极化的线极化透射阵设计方法；2）以线极化透射单元为基础来设计实现双极化、圆极化与高效率的宽带透射阵的方法；3）对圆极化反射阵单元工作机理的研究，以及基于各向异性双极化磁电偶极子单元的宽带圆极化反射阵天线设计；4）基于磁电偶极子和微带贴片电调反射阵单元来实现了宽带和低成本的可重构圆极化反射阵天线。.通过上述研究，提出了一种宽带低插损的透射阵单元设计方法，并基于该基本单元，设计出多款线极化、双极化和圆极化的宽带透射阵天线，实现了低交叉极化和高口径效率的典型设计；提出了一种宽带圆极化反射阵单元，并且使用它设计了宽带高效率的圆极化反射阵；提出了两款二维波束电扫圆极化反射阵天线，分别具有宽带和低器件数目/成本的优势。.本项目的科学意义在于：1）将磁电偶极子辐射单元引入透射阵天线的设计，实现了优良的带宽特性，并验证了可通过多种设计方法的结合，同时实现低交叉极化、高口径效率、双极化和圆极化等特性；2）揭示了圆极化反射阵单元的宽带工作机理，并依此提出了一种多谐振结构，实现了单板宽带圆极化反射阵设计新方法；3）针对电调圆极化反射单元的复杂度和性能相互妥协的问题，提出了不同于传统电调圆极化反射阵的宽带和低复杂度电调圆极化单元的设计新方法。