新型電磁帶隙結構的寬頻寬波束天線及其陣列研究

《新型電磁帶隙結構的寬頻寬波束天線及其陣列研究》是依託北京航空航天大學，由張岩擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型電磁帶隙結構的寬頻寬波束天線及其陣列研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：張岩
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

寬頻寬波束天線在飛行器導航和衛星通信等套用中起著重要作用，而現有分析設計方法很難滿足日益提高的工程要求。電磁帶隙結構可以實現對空間電磁波的控制，深入研究新型電磁帶隙結構的寬頻寬波束天線及其陣列的電磁特性有重要理論意義和套用價值。本項目構造人工各向異性高階交替方向隱式時域有限差分法，研究多種介質模型和非均勻格線模型的人工各向異性介質最佳化方法，套用於寬頻寬波束微帶天線和低互耦微帶天線陣仿真設計；研究展寬EBG結構的帶隙寬度和降低帶隙中心頻率的方法，協同最佳化設計寬頻緊湊的新型電磁帶隙結構；採用遺傳算法最佳化電磁帶隙結構單元形式、表面布局和安裝方法，實現微帶天線在低仰角方向高增益和天線陣列單元間低互耦的目標；研究有限大電磁帶隙結構的邊緣效應，以及電磁帶隙結構與天線之間的互耦；分析新方法數值色散特性，優選時間步長，提高最佳化效率，最終研製出結構新穎、性能優異、加工方便、套用廣闊的微帶天線和天線陣。

結題摘要

寬頻寬波束天線在飛行器導航和衛星通信等套用中起著重要作用，而現有分析設計方法很難滿足日益提高的工程要求。電磁帶隙結構可以實現對空間電磁波的控制，深入研究新型電磁帶隙結構的寬頻寬波束天線及其陣列的電磁特性有重要理論意義和套用價值。主要研究工作包括以下幾方面： 1、研究高階人工各向異性交替方向隱式時域有限差分法及其套用。推導人工各向異性高階ADI-FDTD電場隱式疊代公式和磁場顯式疊代公式，並根據數值色散關係式，研究了理論計算精度。採用遺傳算法最佳化人工各向異性介質，並對多種介質模型和非均勻格線模型進行了探索。對多個算例進行仿真，驗證了算法的計算精度。採用共形FDTD對雙極化圓槽天線和阿基米德螺旋EBG結構進行仿真計算。此外，對貼片天線和螺旋天線進行矩量法仿真。 2、評估改進EBG結構禁帶特性仿真測量方法 研究了不同仿真測試方法，包括色散圖法、懸置微帶線法、反射相位法，得到EBG結構的禁帶性能。採用HFSS對矩形螺旋EBG進行了色散圖仿真。對傳統EBG結構進行懸置微帶線仿真和測試，並對懸置微帶線法的仿真精度進行了仿真研究。分別採用FDTD算法和HFSS實現反射相位法，對傳統六邊形EBG結構和傳統四邊形EBG結構進行了仿真，並與測試結果進行了比較。 3、研究展寬EBG 結構的帶隙寬度和降低帶隙中心頻率的方法 研究了交指EBG結構和阿基米德螺旋EBG結構。通過增大交指結構的寬度和長度，及在阿基米德螺旋線的內圈加入四個過孔實現EBG結構的小型化。採用遺傳算法最佳化電磁帶隙結構單元形式、表面布局和安裝方法。設計了多過孔四邊形和六邊形EBG結構，展寬傳統EBG結構的頻寬。提出了多種新穎EBG結構，加工了小型EBG寬波束天線多種樣品，進行了實驗驗證。 4、實現EBG結構在天線/天線陣中的套用 討論了三種EBG結構（傳統蘑菇型、阿基米德螺旋型、矩形螺旋型）與兩種圓極化天線（圓極化微帶天線和螺旋天線）的結合安裝方式進行了討論，研究對天線性能的影響。並研究了EBG結構對平面相控陣和共形相控陣波束掃描能力的影響，對比了有/無EBG結構的情況。另外設計了印刷八木天線陣，最佳化EBG布局實現較好的和差方向圖指標，從而達到了改善天線性能的目的。 發表論文24篇（SCI 收錄1篇，EI收錄13篇），申請專利8項（授權3項）。培養博士研究生1名（已畢業），碩士研究生10名（其中5名已畢業）。