中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 唐明春电子科技大学 2013年博士导师: 肖绍球共183页

摘要 : 特异材料，由于其独特新颖的电磁响应特性，成为了近十余年来业界的研究热点。本论文针对目前的发展现状，深度挖掘其结构响应机制，研究设计了一系列性能优越的特异材料，并将其应用在天线以及阵列设计中，提高天线相关辐射性能。与此同时，在基于特... 展开特异材料，由于其独特新颖的电磁响应特性，成为了近十余年来业界的研究热点。本论文针对目前的发展现状，深度挖掘其结构响应机制，研究设计了一系列性能优越的特异材料，并将其应用在天线以及阵列设计中，提高天线相关辐射性能。与此同时，在基于特异材料的电小天线方面开展了广泛深入的研究。第二章结合目前特异材料理论与设计的发展现状，研究设计了一系列的性能优越的特异材料。一方面，以“工”字型电谐振特异材料结构为基础，分析其工作原理，结合等效电路模型和依据电谐振特异材料设计原理，通过加载等效电感、电容以及接地等手段降低其电谐振频率，实现单元小型化。同时也提出了一种结构紧凑简单、内部谐振器间耦合小的折叠线状双频带电谐振特异材料。另一方面，根据传统单SRRs产生磁谐振和环间耦合的物理机制，通过加载同向单SRRs、调节两环的中心位置等手段，仿真设计出了单元结构均一简单、相邻双频位置易调谐的双频带SRRs磁谐振特异材料。进而，通过加载调谐电感臂和同向环，设计了超过传统单SRR三倍带宽的宽带磁谐振特异材料。最后，将该模型单元进行了相关测试、以及介质板损耗角对负有效磁导率的宽带不平坦度影响分析。第三章逐步尝试了将特异材料单元结构应用于天线设计中。一方面，利用第二章所发展的多频带同向SRR特异材料结构单元的互补结构蚀刻在紧凑UWB天线的辐射体上。该设计不仅具有结构简单、占地面积小的优势，而且陷波结构间耦合很小、极易调节各个陷波频段以及陷波深度。进一步，分析了该UWB天线的相位响应特性，以及在整个UWB范围内该天线在时域的接收波形特性。另一方面，提出将曲折线槽式的磁谐振特异材料单元腐蚀在贴片天线地板上，使天线能够在远远低于传统贴片天线基模频点位置产生工作点，且辐射性能良好。鉴于其工作模式近似于TM120模式，将这种混合型贴片/槽天线结构的低频工作模式命名为诱导式“TM120”模。进而分析了曲折线槽周期数量对天线性能的影响。同时，为了扩展该类天线的工程应用范围，将天线进行了三个方面的演绎，也即：进一步小型化、双频化、以及抑制后向辐射。第四章深入研究了微带多天线系统单元互耦、扫描盲点机理、以及单元之间的电磁场分布，并依据特异材料谐振响应工作机理，分别将SRR与CSRR相结合的周期性混合特异材料和第二章所发展的紧凑接地SRR特异材料加载于天线单元之间，均明显降低了单元间耦合，相应地提升了天线单元以及整个阵列的辐射特性。尤其针对于SRR与CSRR的混合结构，该结构不仅结构紧凑、设计简单，并且易于共形，极其有利于目前的工程应用。通过加载该混合型周期性结构在多天线系统中，例如MIMO系统、超方向性天线设计、以及相控阵天线设计中，能够卓有成效地降低天线间的相互耦合，从而提高天线单元以及整个阵列的辐射性能，具有一定的潜在工程应用价值。第五章旨在发展、丰富、和提升基于特异材料概念的电小天线设计理论与技术。首先全面介绍了电小天线的相关概念和基于特异材料概念的电小天线基本理论，然后从以下三个方面开展了基于特异材料概念的高性能电小天线创新性工作：一、提出了利用基于改进型槽的铜铸圆盘置于电小EAD天线的近场的方法，显著提升EAD的边射方向性，并借助空间多天线阵列模型来解释通过引入铜铸圆盘来实现高方向性和前后比的物理机制；二、发展了一系列加载CSRR电小、超低剖面、高辐射效率天线；该类天线低频的方向图和单极子的方向图相比，发生了近90°的偏转，实现了良好的边射特性；三、介绍了一种用于提高电小天线方向性带宽的non-Foster方法。提出将有源电路加载在电小天线的寄生金属板的对称槽边缘，大幅度扩展电小天线的方向性带宽。该方法突破了电小无源天线阻抗匹配带宽、辐射效率、以及方向性之间折中的限制。第六章对本论文的主要研究工作进行了总结，并展望了下一步的研究工作。收起

关键词 : 电磁特异材料微带天线电小天线等效电路 non-Foster方法

2. 植入人体的微带贴片天线的研究

[学位论文] 杨智杰电子科技大学 2019年博士导师: 肖绍球共172页

摘要 : 本文首次提出了将人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线辐射特性的影响量化的计算方法；并在充分利用高损耗特性的影响的前提下，首次将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式微带贴片天线的设计中来；最后分别设计出了... 展开本文首次提出了将人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线辐射特性的影响量化的计算方法；并在充分利用高损耗特性的影响的前提下，首次将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式微带贴片天线的设计中来；最后分别设计出了三款具有宽阻抗带宽特性的植入式线极化微带贴片天线和三款具有宽轴比带宽特性的植入式圆极化微带贴片天线。本文研究内容概括安排如下：第一章首先回顾了植入天线的发展历程。随后，详细介绍了目前植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究现状。目前植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究，主要集中于如何设计出具有宽阻抗带宽特性和宽轴比带宽特性的微带贴片天线，并且采用的方法均是聚焦于天线的自身结构。第二章首次提出了量化人体组织和器官对于微带贴片天线辐射特性影响的计算方法，完善了微带贴片天线埋藏在具有高损耗特性介质中的辐射理论。首先介绍了人体组织及其器官独特的电参数。人体组织和器官可以视为具有高相对介电常数、高损耗正切角特性的电磁材料，并且其相对介电常数和损耗正切角是随频率变化的，这一特性与自由空间迥异。随后，本章接下来的内容介绍了目前所使用的两类人体组织模型。然后，对本文所采用的微带天线做了简单的介绍，并详细给出了在自由空间以及人体组织和器官中这种具有高损耗正切角特性材料中的微带天线的品质因数（QT值）的计算过程。计算结果表明，植入于人体组织和器官中的微带天线的QT值极小。这与工作在自由空间中的微带天线所具有的高QT值极大的不同。而且当微带贴片天线植入于人体环境时，随着植入深度d的增加，微带贴片天线的QT值的也随之降低。这个不同点就给植入于人体组织和器官中的微带天线的设计带来的新的思路。第三章在充分利用第二章所揭示的人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线QT值和输入阻抗的影响前提下，尝试将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式微带贴片天线的设计中，设计了三款具有宽阻抗带宽特性的线极化植入式微带贴片天线。在3.1节采用传统的办法，即在辐射贴片的四周增加一个正方形金属环，用于在微带贴片天线的辐射基模的谐振频率附近产生一个附加的谐振模式，从而展宽整体的阻抗带宽。在3.2节中介绍了基于微带贴片天线自身模式的多模辐射理论，并且详细讨论了如何抑制与调节不需要的高次模。在3.3节中充分利用人体组织的高损耗特性和微带贴片天线自身的多模辐射，设计出了一个基于差分馈电的、植入于人体组织和器官中的、宽带线极化微带贴片天线。该型天线的相对阻抗带宽高达65.8%。在3.4节当中，完成了3.3节所设计的天线的小型化，设计出了一个植入于人体的宽带线极化PIFA天线。对3.3节和3.4节中所设计的两款天线，均对其仿真过程与结果，SAR值，敏感性，生物兼容性进行了详细的研究。并且，这两款天线均应用于“无线心脏起搏器”的设计中，并在人体解剖模型中仿真验证其宽阻抗带宽特性。第四章在充分利用了第二章所揭示的人体组织和器官所具有的高损耗特性对于微带贴片天线QT值和输入阻抗的影响的前提下，尝试将自由空间中的微带贴片天线自身的多模辐射理论引入植入式圆极化微带贴片天线的设计中，设计了三款具有宽轴比带宽特性的圆极化植入式微带贴片天线。在4.1节采用传统的办法，设计了基于一对简并模（即辐射基模TM10模和TM01模）的圆极化微带贴片天线。该天线展宽轴比带宽的方法是从天线自身的结构出发，即短路销钉来实现。在4.2节中，利用人体组织和器官所具有的高损耗正切能够展轴比带宽的特性，设计出了一个单馈的、植入于人体组织和器官中的、宽带圆极化微带贴片天线。研究表明，该型天线的相对轴比带宽为5.3%。在4.3节中，在4.2节所设计的天线基础上，利用微带贴片天线自身的多模辐射理论，并结合人体组织和器官所具有的高损耗正切角特性，设计出了一款植入于人体组织和器官中的、利用两对简并模（即辐射基模TM10模、TM01模和辐射高次模TM30模、TM03模）的、圆极化微带贴片天线。4.2节和4.3节中设计的圆极化微带贴片天线均应用于“无线心脏起搏器”的设计中，并在人体解剖模型中仿真验证其圆极化特性。第五章中对本论文所有的研究工作进行了归纳与总结，并对植入于人体组织和器官中的微带贴片天线的研究工作进行了展望。收起

关键词 : 植入式微带贴片天线多模辐射宽阻抗带宽特性宽轴比带宽特性

3. 基于SIW技术的宽角扫描平面相控阵天线的研究

[学位论文] 刘春梅电子科技大学 2022年博士导师: 肖绍球共166页

摘要 : 相控阵天线通过控制各端口馈入的相位，来实现阵列天线的波束偏转，也称电扫描，相较于传统的机械扫描阵列天线，相控阵天线具有扫描速度快、扫描精准的优点。其中，平面相控阵天线具有成本低、易集成、重量轻等优点，因此得到了广泛的应用。然而，平... 展开相控阵天线通过控制各端口馈入的相位，来实现阵列天线的波束偏转，也称电扫描，相较于传统的机械扫描阵列天线，相控阵天线具有扫描速度快、扫描精准的优点。其中，平面相控阵天线具有成本低、易集成、重量轻等优点，因此得到了广泛的应用。然而，平面相控阵天线扫描角度有限，通常需要多个子阵协同完成宽角范围内的低增益波动扫描。本文主要从拓宽平面天线单元的波束宽度入手，结合基片集成波导（substrate-integrated waveguide，简称SIW）技术，改造平面天线结构，并结合特定模式的表面波，获得具有宽带宽波束宽度的天线单元，利用宽波束天线单元进行组阵，实现宽角扫描。本论文的主要研究内容概括如下：首先简要说明了平面相控阵天线扫描范围有限的问题，介绍了宽角扫描平面相控阵天线的研究现状。设计了一款微带贴片等效短磁偶极子，并用于宽角扫描平面相控阵天线中。利用SIW技术，短路原贴片天线的两个辐射边，改变矩形贴片边界条件，重构贴片场分布，并通过中心开缝，构造不连续性，获得邻近地板放置的单个等效磁流源，实现具有E面宽波束特性的紧凑磁偶极子，并用于E面以及H面宽角扫描。提出了一款具有低剖面的印刷偶极子天线单元，并用于宽角扫描平面相控阵天线中。利用SIW技术，将印刷振子天线两端短路，并在振子中心开缝，构成不连续点，形成等效E面点源，获得E面宽波束特性，并用于E面宽角扫描相控阵天线中。设计了基于SIW技术的低剖面电磁偶极子天线，用于实现E面H面对称的辐射方向图，并用于E面以及H面的宽角扫描。首先指出了微带贴片等效短磁偶极子天线在H面出现较高交叉极化水平的主要原因，并对其进行改造，同时，结合电磁偶极子的概念，设计了一款具有E面H面辐射方向图对称的低剖面等效电磁偶极子，该天线在E面和H面均具有较低的交叉极化水平。利用该单元进行组阵，可实现E面和H面的宽角扫描，同时交叉极化水平较低。利用多层层压技术，提出结构紧凑的SIW背腔圆形贴片天线以及SIW背腔悬置圆形贴片天线，并用于H面宽角扫描线阵的构建。利用SIW腔体控制在接地介质基板中传播的表面波模式，并利用表面波在接地介质基板截断处的衍射，改善贴片阵列天线在低仰角处的增益，实现一定带宽内的宽角扫描。针对圆形贴片天线H面线阵，通过增加介质板厚度，使其支持第一TE1模式的表面波传播，利用SIW技术，在圆形贴片邻近位置放置金属通孔，抑制TM0模式表面波，同时保留TE1模式表面波，从而改善H面线阵在低仰角处的主极化增益。根据圆柱形谐振腔的模式多样性，设计了联合奇TM010、TM110以及TE111模式的宽带圆柱形SIW背腔缝隙天线。首先对比矩形谐振腔与圆柱形谐振腔低次模式分布情况，通过对比可用于实现理想方向图的谐振模式个数，选取具有模式多样性的圆柱形谐振腔，同时对圆柱形谐振腔侧壁以及上表面进行缝隙加载，拉近可用模式之间的频率间隙，从而实现宽带内的阻抗匹配。与其他基于多谐振模式的SIW宽带天线相比，该天线具有横向尺寸小的优势，有利于构建宽带宽角扫描平面相控阵天线。最后归纳和总结了本文的主要工作，展望了下一步的研究工作。收起

关键词 : 平面相控阵天线基片集成波导电磁偶极子宽角扫描

4. 非均匀天线阵列方向图综合算法研究

[学位论文] 宫宇电子科技大学 2022年博士导师: 肖绍球共161页

摘要 : 无线服务的普及推动了天线阵列（简称为阵列）技术的革新，促进了多种新型阵列设计方案的诞生及发展，非均匀阵列正是其中一种具有代表性的设计方案。相较于传统的均匀阵列，非均匀阵列通常可以利用更少的阵元实现某些相近的性能指标。这一特点有助于... 展开无线服务的普及推动了天线阵列（简称为阵列）技术的革新，促进了多种新型阵列设计方案的诞生及发展，非均匀阵列正是其中一种具有代表性的设计方案。相较于传统的均匀阵列，非均匀阵列通常可以利用更少的阵元实现某些相近的性能指标。这一特点有助于降低阵列的建造成本、简化阵列的馈电网络、减轻阵列的重量、改善阵列的散热性能、降低阵列的故障率、提升阵列系统的实时性。此外，相较于均匀阵列，非均匀阵列还具有更大的设计自由度，这使其更容易满足某些特定的性能指标。传统的超宽带、宽角扫描阵列的单元间距可能较大，使得其在高频段扫描时容易出现栅瓣。非均匀阵列可以打破阵元相位中心位置分布的周期性，使其易于避免栅瓣的出现。除抑制栅瓣外，非均匀阵列更大的设计自由度也为其具有更高的方向性、更低的副瓣电平、更精准的主波束形状提供了可能。然而，更大的设计自由度也意味着对非均匀阵列综合的难度一般要高于均匀阵列，而这在一定程度上限制了非均匀阵列的广泛应用。为了拓展其应用范围，许多性能优异的算法，如矩阵束方法(Matrix Pencil Method,MPM)、凸优化方法、遗传算法、多任务Bayesian压缩感知(Multi-Task Bayesian Compressive Sensing,MT-BCS)等被开发出来用以综合非均匀阵列。但是，现有的大多数算法只适用于综合单方向图、单频点、小规模的非均匀阵列，已经不符合阵列逐渐朝着多方向图、宽频带、大规模方向发展的趋势。此外，许多现有的算法在综合过程中会假定阵元为各向同性的理想点源，这可能使得由它们求解得到的综合结果在应用于实际阵列时，实际方向图与预期方向图相差较大。面对上述现有的非均匀阵列综合算法中存在的问题，本文做了如下五部分工作： (1)拓展了MPM的应用范围，使其可以被用于综合多方向图非均匀平面阵列。在拓展过程中，首先，利用目标方向图的采样值构造了一个复合分块Hankel增广矩阵；其次，利用MPM对构造的矩阵加以处理从而获得两组位置坐标，处理时利用了随机奇异值分解方法和奇异值分解的分块求解方法来加速这一过程；然后，利用改进的配对算法对两组坐标配对从而获得阵元的二维位置分布；最后，利用最小二乘法获取阵元的激励。文中列举了多个数值算例用以说明所提出的算法能够在有效地减少阵元数目的同时，保证所有重建方向图的精度。 (2)拓展了MT-BCS的应用范围，使其可以被用于综合多方向图非均匀平面阵列。在拓展过程中，首先，将多方向图非均匀平面阵列综合问题改写为可以被MT-BCS求解的形式，并利用MT-BCS对其进行求解；然后，利用阵元合并法调整MT-BCS所获得的阵元位置分布，以确保综合所得阵列的最小单元间距大于某一预设值；最后，利用凸优化方法计算合并后阵元的激励。文中列举的数值算例说明了所提出的算法能够高效地求解多方向图大规模非均匀平面阵列综合问题。 (3)拓展了序列凸优化方法的应用范围，使其可以被用于综合频率不变赋形波束方向图(Shaped-Beam Pattern,SBP)非均匀阵列。在拓展过程中，首先，利用序列凸优化方法获得工作频段内各采样频点对应的阵元激励，在求解过程中设定阵元的位置分布关于原点对称，且对称阵元的激励互为共轭复数，从而令SBP非凸的下界约束转化为凸约束；然后，推导了时域方式实现频率不变SBP所需的有限长单位冲激响应滤波器的系数与阵元激励之间的关系；最后，利用推导所得的关系求解滤波器的系数。文中列举了多个数值算例来说明所提出算法的有效性。 (4)提出了一种基于快速迭代软阈值算法(Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm,FISTA)的，可以严格地考虑互耦效应的非均匀平面阵列综合算法。该算法的计算复杂度低、收敛速度快且需要预设的参数少，因而适合用于综合大规模非均匀平面阵列。在所提出的算法中，首先，将非均匀平面阵列综合问题表示为迭代加权“套索”(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator,LASSO)问题；然后，利用FISTA对其求解从而得到阵元的位置分布；最后，利用最小二乘法或凸优化方法计算阵元的激励。文中列举了多个数值算例来说明该算法的高效性。 (5)提出了一种基于人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)和差分进化算法(Differential Evolution Algorithm,DEA)的非均匀阵列综合算法。该算法可以在考虑互耦效应的情况下在连续域内同时优化阵元的位置分布和激励，令综合所得阵列的方向图和有源S参数达到预设要求。该算法有两个步骤：第一步，利用ANN分别构建有源单元方向图和无源S参数与阵元位置分布之间的映射关系，在这一过程中，引入了子阵建模方式以缓解对规模较大的阵列建模时会面临的维数灾难；第二步，基于第一步中所建立的ANN模型，利用DEA优化阵元的位置分布和激励以满足阵列关于方向图和有源S参数的相关要求。文中列举了多个数值算例用以证明该算法的有效性。收起

关键词 : 非均匀天线阵列方向图综合互耦效应人工神经网络差分进化算法

5. 宽带宽角扫描相控阵天线研究

[学位论文] 李燕电子科技大学 2020年博士导师: 肖绍球共153页

摘要 : 阵列天线易于实现高增益、波束扫描及波束赋形等功能，成为了现代无线通信、导航、雷达等信息系统收发信号的主要手段。为满足上述现代无线信息系统面向高速率、广覆盖、多功能等方向发展的应用需求，要求其阵列天线具有宽工作带宽及宽角波束扫描能力... 展开阵列天线易于实现高增益、波束扫描及波束赋形等功能，成为了现代无线通信、导航、雷达等信息系统收发信号的主要手段。为满足上述现代无线信息系统面向高速率、广覆盖、多功能等方向发展的应用需求，要求其阵列天线具有宽工作带宽及宽角波束扫描能力，同时兼顾平面化、低剖面、多极化辐射等特性。为应对上述要求和挑战，本论文以拓展阵列天线工作带宽和波束扫描范围为研究课题，从阵元间耦合控制角度出发，对弱耦合谐振型阵列天线和紧耦合类行波型阵列天线展开研究，通过理论建模、实现方法、实验验证等系列探索，取得了重要研究进展。本论文的主要研究内容概述如下： 1.探索了宽角匹配层单元间耦合对其性能的影响。仿真分析表明利用匹配层单元间的耦合，可在更宽的工作带宽下实现其宽角匹配特性。接着，将匹配层加载于紧耦合阵列天线上部，实现了阵列天线良好的宽带宽角扫描能力，展现了其在宽带宽角扫描相控阵天线中广阔的研究前景。 2.深入分析了一类超材料天线的宽带工作机理，提出了多种新型小型化宽带超材料天线单元，发展了一种拓展基于谐振型贴片天线单元宽角扫描相控阵天线带宽的有效方法。基于超材料单元色散特性，依次提出了 H面、E面和二维小型化宽带超材料天线单元，并将其应用于无栅瓣宽角扫描相控阵天线研究。通过设计馈电结构实现小型化超材料天线良好的宽带阻抗匹配，借助缺陷地结构消除 E面一维线阵中表面波耦合导致的扫描盲点，改进二维阵列天线馈电结构抑制后向辐射等，最终实现了超过20%工作带宽、±60°波束扫描范围的低扫描增益波动的一维线阵及二维面阵，显著提升了传统基于谐振型贴片天线单元宽角扫描相控阵天线的工作带宽。 3.提出了一种基于紧耦合类行波原理的低输入阻抗超宽带连接平行槽阵列天线方案，以及将宽角匹配层直接融入到阵面口径的设计思想，实现了超低剖面的宽带宽角扫描相控阵天线，有效克服了传统紧耦合宽带宽角扫描相控阵天线中需使用复杂宽带巴伦、高剖面宽角匹配层的难题。通过在传统连接槽阵列天线上引入寄生槽结构降低其输入阻抗，结合直接加载于阵面口径的超表面宽角匹配层，最终实现了两倍频工作带宽、二维±60°波束扫描范围、剖面高度仅为0.088λL（λL为最低工作频率的自由空间波长）的连接平行槽相控阵天线。为深入地理解和展现寄生槽工作机理和超表面宽角匹配层工作原理，分别提取了连接槽阵列单元和超薄匹配层单元的等效表面阻抗，建立了传统连接槽结构、寄生槽结构、金属反射板、超薄宽角匹配层等相应的传输线等效电路模型，并对比全波仿真结果，验证了等效电路的合理性，为该类阵列天线的研究提供简洁高精度分析方法。 4.创新性地将无限大磁流片概念应用于圆极化阵列天线研究中，结合镜像原理提出了一种低剖面、单向辐射的超宽带圆极化连接平行槽阵列天线。通过正交放置连接平行槽结构，构造了两正交分布的等效磁流；采用四分之三圆弧移相结构，在两正交等效磁流间引入了合适的相位差，实现了具有2.4倍频轴比带宽的超宽带圆极化连接平行槽阵列天线。同时，通过使用金属反射板抑制后向辐射，提高边射增益，使圆极化阵列天线的边射增益接近理想口径方向性系数。 5.基于全极化偶极子概念，提出了一种极化不敏感的天线单元及其宽角扫描阵列天线，提升了收发天线随机姿态下通信链路的稳定性。首先，通过弯折偶极子天线构造三对幅度近似相等的正交电流分布，实现了准全空间的全极化覆盖，并结合人体无线内窥镜系统场景进行了实验验证。接着，结合时间反演自适应波束形成技术，对由随机姿态随机位置的25单元随机阵列天线的极化不敏感宽角扫描性能展开研究，最终实现了自由空间中随机阵列±85°及无限大地平面上随机阵列±60°的极化不敏感波束扫描特性。收起

关键词 : 相控阵天线工作带宽宽角扫描极化不敏感

6. 方向图可重构天线单元及其在阵列中的应用研究

[学位论文] 柏艳英电子科技大学 2012年博士导师: 肖绍球共148页

摘要 : 天线是无线信息系统不可缺少的部分。当前无线信息技术的快速发展，对天线系统提出了越来越高的要求，如期望天线单元具有宽波束、宽频带、高增益特性而阵列具高增益、低副瓣电平特性等。大量研究表明，这些要求对于基于传统技术的天线及阵列设计而言... 展开天线是无线信息系统不可缺少的部分。当前无线信息技术的快速发展，对天线系统提出了越来越高的要求，如期望天线单元具有宽波束、宽频带、高增益特性而阵列具高增益、低副瓣电平特性等。大量研究表明，这些要求对于基于传统技术的天线及阵列设计而言，是非常具有挑战性的。为此，人们不断探索各种天线新概念与新技术，以突破相关难题。近年来，可重构天线概念被提出来了。它通过调整集成于通用辐射孔径中的诸如开关、变容二极管等状态可控器件的状态，实现对天线性能的重构。由于可重构天线释放出了新的设计自由度，极大地扩展了传统天线及阵列设计解空间，为提升天线及阵列特性提供了巨大潜能，同时也为天线及其阵列设计带来了一系列新的课题。本文围绕方向图可重构天线单元及其在平面/共形阵列中的应用展开了系统而深入的研究，取得了一系列创新性成果。本文的主要工作简介如下。第一章，阐述了可重构天线及其阵列的研究背景，系统地回顾了方向图可重构天线及阵列的发展历程与现状，介绍了本文的主要研究内容和章节安排。第二章，研究和设计了三款方向图可重构天线单元。第一款是二极管开关加载的方向图可重构微带八木天线，良好地解决了开关直流偏置网络与天线辐射体之间的电磁兼容问题；第二款是具有低交叉极化特征的改进型方向图可重构微带八木天线，为解决共形阵列的高交叉极化缺陷提供了基础。第三款天线是一个太阳光辐射式的方向图可重构Hilbert天线，该天线能在多个平面内实现方向图重构，通过波束切换其波束几乎可以连续地覆盖整个上半空间，且有宽带优势。第三章，详细分析了加载可变电抗的二元阵列方向图、振子表面电流相位和加载电抗值之间的关系，研究了方向图可重构机理，在此基础上提出了一种方向图可重构天线的高效设计方法。从具体研究的加载二元阵列出发，提取了阵列辐射特性一般分析模型，通过系列分析指出，通过对具有差波束特征的原天线加载可变电抗以实现波束重构是方向图可重构天线快速设计的一种有效方法，并依照此方法设计了几种方向图可重构天线单元，验证了该方法的实用意义。第四章，通过研究方向图可重构天线单元与平面/共形阵列波束特性之间的联系，提出了基于方向图可重构天线的大角度范围扫描阵列新方案，极大地提高了阵列波束扫描特性。首先从阵列天线理论出发，推导并阐述了阵列方向图综合中如有源单元方向图等几个容易混淆的概念。其次，将方向图可重构单元应用到平面/共形阵列中，系统研究了阵列布阵方式、阵元工作状态，并基于有源单元方向图方法对阵列方向图进行综合，理论及原理实验表明新型方向图可重构阵列能够实现阵列大角度范围波束扫描。最后，通过对多个微带八木天线的寄生振子加载可变电抗的研究，提出了建立大角度范围波束扫描的大规模的可重构天线阵列的方法。第五章，提出了混合蔓延野草和粒子群演绎算法，为方向图可重构阵列的综合提供了快捷高效的方法。以微带共形天线阵列为例，验证了该算法在阵列综合方面的优势，即该综合方法既吸收了蔓延野草算法的优势又具有粒子群演绎算法的优势。该方法在第四章中的方向图可重构天线平面/共形阵列的方向图综合中得到了很好的应用，展示了其高效的优化性能和解决电磁问题的潜力。第六章，总结与展望。对本文的主要工作进行了归纳和总结，并提出方向图可重构天线的发展趋势，指出了有待未来进一步探索的重要课题。收起

关键词 : 方向图可重构天线二元阵列电磁兼容波束重构蔓延野草算法

7. 天线、频率选择表面及导电板的雷达散射截面分析与控制

[学位论文] 尚玉平电子科技大学 2015年博士导师: 肖绍球共144页

摘要 : 在现代化战争中，雷达作为一种主要探测设备已得到了广泛应用。因此，军事系统与平台针对于雷达的隐身性能是衡量其战场生存能力的一项重要指标。我方军事目标的合适雷达隐身设计，可使我方军事目标对敌方雷达探测实现有效回避，延迟我方军事目标被敌... 展开在现代化战争中，雷达作为一种主要探测设备已得到了广泛应用。因此，军事系统与平台针对于雷达的隐身性能是衡量其战场生存能力的一项重要指标。我方军事目标的合适雷达隐身设计，可使我方军事目标对敌方雷达探测实现有效回避，延迟我方军事目标被敌方雷达发现的时间，迫使敌方雷达防御系统降低其战斗效能，由此可提升我方军事目标的战场生存能力。雷达隐身设计或雷达低可探测性设计目前主要通过雷达散射截面减缩来完成。根据已公开的报道，作为发展相对较成熟与应用相对较广泛的两种雷达隐身设计技术措施，外形隐身与雷达波吸收材料已能合适地减缩军事平台的雷达散射截面。而对于现代雷达隐身军事平台，其上的一些关键部件、子系统已被理论或实践地证明为主要散射源，如包含天线与天线罩的天线系统。这些主要散射源常产生较强的雷达散射，从而趋向于对军事平台的整体雷达隐身性能产生影响。同时，为了确保这些关键部件、子系统自身的良好工作性能，适用于普通散射体的传统隐身技术措施可能得不到简单直接的应用。为了奠定平台整体雷达隐身性能改善的基础，对产生强雷达散射的关键部件、子系统进行雷达散射截面减缩设计，研究并探索合适的雷达散射截面减缩新措施，是具有实际意义的一项工作。另一方面，针对当前被广泛使用的战场电磁探测，雷达诱偏也逐渐显现出其对提高我方有效军事系统与平台战场生存能力的重要性。因此，对特定目标进行雷达散射截面增强设计，同样是具有实际意义的一项工作。本文主要研究了天线、频率选择表面及导电板的雷达散射截面减缩，以及导电板的雷达散射截面增强，简述如下：第一章介绍了雷达散射截面控制的研究背景与一些研究意义；介绍了天线、频率选择表面及导电板雷达散射截面减缩的研究现状，以及雷达散射截面增强的研究现状；并概述了本文的主要研究内容。第二章以多端口天线或阵列天线的等效网络为基础，介绍了天线的极化总散射矩阵，并细节地介绍了单端口与双端口天线的极化总散射矩阵。第三章提出了一种基于 PIN衰减器二极管加载电路的微带贴片天线单元与阵列雷达散射截面减缩新措施，获得了天线在低雷达散射截面状态与最佳辐射状态之间的一种可电控转换设计；构造了一种包含条带型频率选择表面单元的复合接地板，并将其用于一副微带贴片天线的雷达散射截面减缩设计，在较大的空间区域内获得了减缩效果；以介质谐振器天线为例，介绍了可用于天线模与结构模散射项相互抵消的特殊端接阻抗，从而获得天线的雷达散射截面减缩；提出了具有低雷达散射截面特性的新型平面双层四臂螺旋天线设计以及电阻加载的平面双臂阿基米德螺旋天线设计。第四章以等效电路模型为基础，对传统二维带通响应频率选择表面通带以外低、高频端的强反射进行了降低设计，以吸收方式获得了较宽的低反射频带。同时，在吸收频带内合适地保持了一个具有较小插入损耗的传输窗口。传输通带两端强反射的降低有助于减缩强雷达散射截面，从而改善军事平台的雷达隐身性能。第五章以等效电路模型为基础，对单层电路模拟雷达波吸收材料进行了仔细研究，首次以双方环为单元结构实现了单层电路模拟雷达波吸收材料工作频带内三个谐振的观察与设计，从而针对单层电路模拟雷达波吸收材料实现了优良的带宽与厚度综合性能。在此基础上，借助高阻抗表面的同相反射特性，提出了一种工作频带内具有四个谐振的设计，以获得进一步的吸收带宽扩展。宽吸收频带意味着导电板的宽带雷达散射截面减缩。此外，设计了宽带平行板波导结构用于测试小规模一维样品在宽频带范围内的反射系数。第六章介绍了导电板的雷达散射截面特征，以空基、移动军事平台为应用背景，提出了一种新颖的基于准超方向性再辐射概念的侧向雷达散射截面增强设计。第七章对本文的主要工作进行了总结，并提出了一些有待于在未来工作中作进一步研究的内容。收起

关键词 : 雷达天线频率选择表面导电板隐身性能散射截面

8. 平面紧凑型多功能相控阵天线阵面关键技术研究

[学位论文] 丁卓富电子科技大学 2018年博士导师: 肖绍球共143页

摘要 : 伴随着半导体和射频集成封装技术的飞速发展;相控阵天线受到越来越广泛的研究;以适应不同的应用场景。相控阵天线的关键指标有很多;比如效率、功率、EIRP、G/T 等;且很多指标都和天线阵面息息相关。因此;相控阵天线阵面关键技术的研究显得尤为重要。纵... 展开伴随着半导体和射频集成封装技术的飞速发展;相控阵天线受到越来越广泛的研究;以适应不同的应用场景。相控阵天线的关键指标有很多;比如效率、功率、EIRP、G/T 等;且很多指标都和天线阵面息息相关。因此;相控阵天线阵面关键技术的研究显得尤为重要。纵观相控阵天线的诸多应用场景;要求其满足广阔的空域覆盖、具备较强的抗干扰能力、多功能用途等;而要实现这些功能;需要相控阵天线阵面至少突破以下几个关键技术：宽角扫描能力、同时/分时多极化、多频共口径复合等特性。因此;本学位论文将从相控阵天线的工程应用角度出发;重点研究平面紧凑型多功能相控阵天线阵面的三项关键技术：宽角扫描、极化可重构和双频共口径复合。概括起来;本学位论文的研究内容主要包括：第一章主要概述相控阵天线的研究背景和意义;介绍宽角扫描相控阵天线、极化可重构相控阵天线和双频共口径复合相控阵天线的国内外研究现状;并介绍本文的创新点和主要贡献;最后介绍了本学位论文的章节安排。第二章主要介绍两款基于带状线馈电的空腔贴片天线;采用带状线对 H 形耦合缝隙进行馈电;获得较宽的天线工作带宽;同时有效的抑制了天线的后向辐射。其中一款Ku天线单元被应用于二维宽角扫描相控阵天线中;相对于传统的相控阵天线;该天线阵面在±60°宽角扫描范围内具有较低的增益损失;是宽角扫描雷达和通信系统较好的备选方案。同时;为了配合相控阵天线的后期维护和检测;该天线阵列内部集成了自校准网络;从测试效果看;自校准网络的动态范围小;能够很好的满足系统检测和校准要求。第三章主要介绍一种极化可重构天线单元及其阵列。该天线单元采用带状线对一组正交交叉的耦合缝隙进行馈电;获得宽带特性;在正交的耦合缝隙上加载了四个 PIN 开关;通过切换这些开关的工作状态;可以获得一组性能良好的正交极化分量。同时在天线内部内嵌了一个空腔;一方面可以进一步提升天线的带宽;另一方面能够为二极管和电容提供安装空间;并为这些器件提供保护;避免受到外部环境的影响;提升其长期可靠性;同时;天线采用了双贴片堆叠的设计思路;带宽和增益获得进一步提升。将该天线单元组成一个2 ×8的天线阵列;通过对直流偏置网络的设计;使得阵列天线的控制较为简单;仅用两根电缆即可控制整个阵列的开关通断状态;从而控制相控阵天线的极化特征。第四章设计了一款双频共口径复合的二维相控阵天线。从工程实现和低成本的角度出发;采用标准化的T R模块拼凑而成;且 Ku频段的每种极化和W 频段的TR通道数量均相等;考虑到阵列天线的栅瓣条件;Ku阵列采用规则阵;W阵列采用稀布阵。由于是双频复合天线阵面;则W稀布阵带有复杂的边界条件;结合稀疏阵和稀布阵算法;设计了一个8 × 8的二维双频（Ku双极化、W单极化）共口径相控阵天线。为了提高双频复合的可实现性;两个频段的天线设计要实现小型化。其中Ku双极化天线采用共贴片形式;W采用SIW传输和侧壁金属化波导辐射的形式。天线采用多层板实现;Ku和W天线单元在横向融合的同时;在纵向尺寸上分层共用;进一步提升了双频天线的共口径融合度。第五章对全文作出了系统的概括与总结;并指出了本学位论文进一步研究的展望。收起

关键词 : 紧凑型相控阵天线多功能宽角扫描极化可重构双频双极化共口径复合

9. 平面大角度扫描及高增益阵列研究

[学位论文] 郭家伽电子科技大学 2018年博士导师: 肖绍球共136页

摘要 : 阵列天线与单个天线相比较，具有更多的设计自由度，易于实现波束扫描、波束赋形、多波束、高增益辐射等。由于阵列结构限制和耦合等问题的影响，平面相控阵天线进行波束扫描时，扫描角度有限的问题与增益波动的问题是目前亟待解决的学术难题。随着第... 展开阵列天线与单个天线相比较，具有更多的设计自由度，易于实现波束扫描、波束赋形、多波束、高增益辐射等。由于阵列结构限制和耦合等问题的影响，平面相控阵天线进行波束扫描时，扫描角度有限的问题与增益波动的问题是目前亟待解决的学术难题。随着第五代移动通信技术的研究热潮，毫米波通信成为当前研究热点。毫米波通信可显著提高数据传输率，但毫米电磁波在空间传播时损耗大、传播距离有限。如何提高毫米波天线辐射增益、效率，而拓展毫米波通信有效作用距离是亟待解决的学术难题。本学位论文以平面阵列天线为研究对象，主要针对阵列天线大角度扫描问题、扫描时主波束峰值增益波动大的问题及毫米波高增益高效率辐射问题进行研究，提出几种解决方案，将本论文主要工作总结如下：第一章回顾阵列天线的发展历史，总结目前阵列天线遇到的挑战、学术研究背景与研究意义，归纳目前实现大角度扫描相控阵的主要方法以及平面毫米波高增益阵列的典型范例，最后介绍本学位论文的创新点与主要贡献。第二章介绍寄生结构在平面微带大角度扫描相控阵天线、相控阵馈电网络中的使用。首先，设计微带偶极子 1×6 均匀线阵，利用寄生贴片拓展其扫描范围。以不改变阵列布局和阵列单元尺寸为条件，在天线单元间增加寄生贴片。通过改变寄生贴片尺寸与位置，调节阵元互耦作用，从而改变馈电单元有源单元方向图，明显展宽阵列俯仰角扫描范围。其次，基于寄生结构，提出了一种通过简单机械移动而改变输出信号相位的移相器设计。移相结构是在微带传输线上覆盖高介电常数、低损耗介质板，从而改变微带传输线的等效介电常数和传输常数。在不同传输线上覆盖不同尺寸的高介电常数介质板，使输出信号间具有梯度相差。利用两阶移相结构，可以使输出信号间梯度相差值能够大范围变化且具有小变化步进。设计的馈电网络具有二十五种移相状态且移相性能良好。第三章为了改善平面相控阵天线大角度扫描性能，将差分馈电方法应用于相控阵天线设计中。首先，以方向图可重构贴片天线为单元设计了平面大角度扫描相控阵。阵列单元通过在贴片天线地板上开缝而设计，利用 PIN 二极管控制缝隙状态，改变天线辐射方向图主波束指向，扩展天线辐射方向图在 E 面内的覆盖范围。由于贴片天线采用差分馈电方法，天线远场方向图可保持对称，同时保持低交叉极化。阵列可以实现大角度扫描，主波束峰值增益波动小，交叉极化小。其次，以腔体缝隙天线为单元设计了双频、平面大角度扫描相控阵。缝隙天线具有双层介质板结构，通过金属化过孔构造金属腔。缝隙辐射及差分馈电方法使天线实现低剖面。天线具有两个谐振点，辐射方向图在E面内保持宽波束覆盖且对称、低交叉极化。阵列中天线的有源单元方向图在 E 面内的半功率波束宽度宽。在两个谐振频率处，该阵列天线在E面内都能实现俯仰角大角度扫描。第四章将口径天线与阵列理论、阵列馈电方法相结合，构造高性能60 GHz阵列天线。展宽原口径天线的物理口径，以原辐射口径为单元，在口径面上进行组阵。利用传输线对辐射口径串联馈电，避免反相电磁场辐射，使口径天线的增益得到提升。口径面上电磁场分布变得更紧凑，天线的口径效率得到提升。并且，通过优化辐射口径的位置与尺寸、传输线尺寸，采用差分馈电的方法，毫米波天线可实现高增益、高口径效率、宽带、稳定辐射方向图、低交叉极化等。第五章总结本学位论文的主要工作、关于平面大角度扫描及高增益阵列未来研究内容与应用的展望。收起

关键词 : 平面阵列天线大角度扫描主波束峰值高增益阵列

10. 植入式天线在生物医疗中的应用研究

[学位论文] 刘昌荣电子科技大学 2015年博士导师: 肖绍球共133页

摘要 : 无线数据遥测与能量传输在无线医疗设备的设计开发及其个人医疗保健方面具有十分广阔的应用市场，是未来生物医疗发展的必然趋势。从目前的研究来看，研发高精确、稳定可靠的无线生物医疗设备仍然面临很大的挑战。本论文采用考虑人体耦合效应的仿真模... 展开无线数据遥测与能量传输在无线医疗设备的设计开发及其个人医疗保健方面具有十分广阔的应用市场，是未来生物医疗发展的必然趋势。从目前的研究来看，研发高精确、稳定可靠的无线生物医疗设备仍然面临很大的挑战。本论文采用考虑人体耦合效应的仿真模型，指导设计高传输效率的无线能量传输系统与小型化、高精度的包括植入式天线在内的无线数据传输系统，分析并设计出用于生物医疗的无线能量与数据传输的各子系统，实现对无线生物医疗系统优化设计与性能评估。本文围绕植入式天线在生物医疗中无线数据遥测与能量传输中的应用研究开展了深入的研究。论文的主要研究成果可概括如下： 1.研究了电磁波在有损媒介中的传播特性。将赫兹电偶极子作为发射源，逐步研究了电偶极子在近场与远场的吸收能量及其可以接收的能量，深入探讨植入式天线在体内的辐射特性，本研究内容为研究植入式天线的工作频率对远场无线能量传输提供了有效的理论支持。 2.基于多邻近谐振点形成宽带阻抗特性技术，提出了高度融合微带折叠振子与倒 F天线的宽带双频段植入式电小天线。双频段是提高无线植入设备在体内工作周期的途径之一，本文试图从小天线的辐射特性与多谐振点形成的途径出发，设计出同时具有小型化、宽频带特性的植入式天线，从实验结果可以看到所设计的天线优于其他双频段植入式天线；为了更有效地缩减植入式天线的尺寸，本文采用了微带天线与槽天线结合的方式，设计了小型化的贴片/槽天线，实验结果显示出所设计的天线具有明显的尺寸优势；为了设计更小的用于神经传感植入设备工作的植入式天线，本文利用CMOS(Complementary Metal Oxide- Semiconductor)加工工艺，设计出集成发射机在内的小型化片上天线发射系统。 3.充分考虑人体环境下进行小型化圆极化植入式天线的研究。圆极化波在无线通信中具有特殊的优势，特别是在医院环境下具有明显的抗多径效应，本文首先探讨了植入式微带贴片天线在皮肤内的阻抗特性变化，利用容性加载技术抵消了感性阻抗，实现了天线的阻抗匹配与小型化；并详细讨论了同轴线等对天线测试的影响。 4.提出了多层开口圆环结合连接金属化孔的吞入式宽带圆极化胶囊天线，并对其在人体消化道内的数据传输能力进行了仿真验证。本工作创新性地利用多层开口圆环结合连接金属化孔实现了工作于圆极化模式的平面螺旋天线结构，小型化与宽带圆极化特性均满足实际的胶囊系统，与发表的文献相比，具有突出的性能优势。在研究工作的基础上，为了更准确验证设计的正确性，利用小白鼠进行了相关动物体内测试工作。 5.系统地研究了远场无线能量传输中的人体电、热效应等安全问题，并利用体表寄生辐射单元实现对接收功率的大幅提升。远场无线能量传输适用于超低功率的无线传感网络与设备。本章中首先从人体安全的角度出发，分析了所有的安全标准以约束外部发射机的发射功率，并在此基础上初步计算出植入式整流天线所能接收的功率范围，以指导整流电路在特定输入功率范围内的转换效率优化工作；为了更进一步提高无线能量传输的转换效率，本文采用体表引入寄生贴片的方法以提高植入式天线的辐射方向性，从而提高了植入式天线接收的功率，整流电路的转换效率也得到提升，从整体上提高了无线能量传输的转换效率。收起