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相控阵列天线综合宽角度扫描

归档日期:07-14       文本归类:反潜导弹和      文章编辑:爱尚语录

  电子科技大学UNIVERSITY ELECTRONICSCIENCE CHINA硕士学位论文 MASTER THESIS 3 分类号 密级 UDC (题名和副题名)(作者姓名) 指导教师 (姓名、职称、单位名称) 申请学位级别 学科专业 提交论文日期 2016.4.8 论文答辩日期 2016.5.20 学位授予单位和日期 2016 答辩委员会主席评阅人 注1:注明《国际十进分类法UDC》的类号。 SYNTHESIS PHASEDARRAY ANTENNA REALIZEWIDE-ANGLE SCANNING MasterThesis Submitted ElectronicScience ChinaMajor: Radio Physics Author: Fan Xing Advisor: Prof. Xiao Shaoqiu School: School PhysicalElectronics 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 作者签名: 日期: 论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 作者签名: 导师签名: 日期: 相控阵天线以其具有的高增益和波束扫描的特性被广泛运用在无线通信和雷达系统当中,传统的微带天线相控阵由于受到单元波束宽度及其单元间互耦的影 响,主平面的扫描范围一般在-50~50,增益下降4-5dB。等间距的布阵方式在单 元间距超过半波长时还会使得可见区内出现栅瓣,当进一步扩宽扫描角度时会出 现很大的旁瓣电平,这些都制约着相控阵更广泛的应用和发展。本论文围绕着扩 宽相控阵扫描角度,同时在宽角度扫描时保持低旁瓣电平这一技术难题,对稀布 阵列、方向图可重构天线单元、宽波束天线单元及其在相控阵中的应用进行了研 究和分析,通过引进新的布阵方式、重构天线单元方向图以及扩宽天线单元的波 束范围实现相控阵列的低旁瓣宽角度扫描特性。主要内容包括: 第一章为绪论。主要概述了宽角度扫描相控阵列的研究背景和意义、国内外 研究现状和本文在此方面所做的工作。 第二章介绍了稀布阵和可重构天线的基本原理,并在此基础上设计了一种对 称加权稀布阵列,通过对称布阵和适当选取加权函数的方式进一步减小阵列的旁 瓣电平,并结合可重构天线,设计出了一种具有低旁瓣宽角度扫描特性的相控阵。 第三章从传统的磁偶极子出发,设计了一款方向图可重构磁偶极子天线,其 工作原理类似于可重构微带八木天线,通过调整寄生贴片的电长度来控制寄生贴 片的阻抗特性,从而实现方向图三种不同状态的辐射特性。并将其与稀布阵相结 合,实现了主平面-70~70的阵列扫描范围,且始终保持低旁瓣电平较低。 第四章设计了一款宽波束互补偶极子天线,此天线的波 束宽度,交叉极化低,能够很好的应用在相控阵列中。并基于此天线设计了一种 低旁瓣宽角度扫描相控阵列,此阵列采用等间距布阵的方式,能够实现主平面 -70~70的扫描范围,旁瓣电平低,增益的波动范围在3dB 之内。 第五章对全文进行了总结,对相控阵列的发展趋势进行了展望。 关键词:相控阵,宽角度扫描,可重构天线,低旁瓣电平,稀布阵,磁偶极子, 互补偶极子,宽波束 ABSTRACT II ABSTRACT Phased array has been widely used wirelesscommunication radarsystem due itscharacteristic highgain beamscanning. Typically, microstrip antenna phased array can only scan its main beam from -50~50 mainplane gainfluctuation about 4-5dB, which mainlyaffected beam-widthcoverage antennaelement mutualcoupling between elements. Grating lobes equallyspaced distancebetween elements greaterthan hale sidelobe level becomelarge when arrayscans largeangle, which obviously restricts phasedarray. Widening scanningangle phasedarray sidelobe level sametime maintechnical problems which tinnedarray, pattern reconfigurable antenna broadbeam antenna phasedarray have been studied newarrangement rule antennaarray, reconfigurating radiationpattern antennaelement, phasedarray can realized wide-anglescanning sidelobe level sametime. thesisincludes five chapters follows:Chapter introduction,which briefly generalizes currentlyresearch status maintask alsosummarized. Chapter II introduces basicprinciple thinnedarray reconfigurableantenna, symmetricweighted thinned array has been designed whichcan further reduce sidelobe level symmetricallyplacing properlyselecting weightedfunction. novelsymmetric weighted thinned array patternreconfigurable antenna elementshas been designed eventually, which can realize wide-anglescanning sidelobe level. chapterIII, patternreconfigurable magnetic dipole antenna has been designed traditionalmagnetic dipole. workingprinciple patternreconfigurable microstrip Yagi antenna, which can control parasiticstrip electricallength. designedantenna can operate threedifferent modes. thinnedarray, arrayABSTRACT III can scan its main beam from -70~70 principleplane lowside lobe level. chapterIV, novelelectromagnetic dipole has been designed. radiation3dB beam coverage principleplane 140,which makes goodcandidate wide-anglescanning phased array. crosspolarization verylow. novelthinned array has been designed based designedarray can scan its main beam from -70~70 principleplane lowside lobe level crosspolarization. gainfluctuation lessthan 3dB. parameterstudy has been made distancebetween elements radiationcharacteristics. wholethesis has been made, phasedarray futurehas been analyzed. Keywords: Phased array, Wide-angle scanning, Pattern reconfigurable antenna, low SLL, Thinned array, Magnetic dipole, Broad beam width. 目录 IV 第一章绪论 1.1研究背景及意义 1.2国内外研究历史背景与现状 1.3论文的主要工作及结构安排 第二章稀布阵和可重构天线非等间距稀布阵列 2.2.2指数间隔阵列 102.2.3 广义升余弦加权稀布阵列 112.3 可重构天线 可重构八木微带天线 有源单元方向图基本理论 162.5 本章小结 18第三章 对称加权稀布阵列的研究 193.1 引言 193.2 对称加权稀布阵列 193.3 不同参数对于对称稀布阵列辐射特性的影响 243.4 测试及分析 263.5 本章小结 31第四章 方向图可重构磁偶极子天线 方向图可重构磁偶极子天线 方向图可重构磁偶极子单元参数分析 354.2.3 未加偏置电路的可重构磁偶极子单元 364.2.4 加入直流偏置的可重构磁偶极子单元 384.3 方向图可重构磁偶极子宽角度扫描阵列的研究 414.4 本章小结 46目录 第五章宽波束互补偶极子天线 宽波束互补偶极子天线 宽波束互补偶极子的工作原理及测试分析 505.3.1 互补偶极子天线 互补偶极子天线 基于宽波束互补偶极子天线的宽角度扫描阵列的研究 535.5 本章小结 56第六章 全文总结与展望 60参考文献 61攻读硕士学位期间取得的成果 65第一章 绪论 第一章绪论1.1 研究背景及意义 天线作为雷达系统的重要部件之一,直接影响着雷达性能的好坏和成本的高 低。在近几十年当中,随着航空、航天技术的飞速发展,雷达天线也在突飞猛进 地发展,经历了从传统的抛物面天线、卡塞格伦天线到波导型阵列天线的逐步过 渡。然而,由于传统雷达天线主要基于机械扫描技术,存在着诸多缺点,如重量 体积大、扫描速度慢、灵活性差等。 相控阵技术的出现使雷达技术得到了更进一步的发展。它具有灵活性好、稳 定性高、波束扫描速度快等诸多优点。通过控制各个阵元的相位,能够实现波束 的快速扫描,并且能够根据环境的不同自适应调节波束的指向,极大提高了雷达 的性能。随着相控阵雷达技术的发展,为了不断提高雷达自身的性能,对天线本 身特性的要求也越来越高,如超宽带、超分辨率及其低旁瓣宽角度扫描等特性。 微带天线以其重量轻、易于集成、剖面低、机械稳定性好等特点,逐渐成为了相 控阵天线的最佳选择。但传统的微带相控阵天线由于天线单元自身的限制以及阵 元间强烈的互耦影响,波束扫描的范围一般在-50~50,同时增益下降4-5dB [1-3] 这无疑限制了相控阵列的进一步发展和应用。因此,探索具有宽角度低旁瓣扫描能力的新型相控阵列天线是提高相控阵性能的关键之一。 总的来说,要提高相控阵宽角度扫描的能力,需要从两方面出发。一方面是 从天线单元入手,由于传统的相控阵天线单元波束覆盖能力有限,半功率波束宽 度一般在 100左右,因此制约了相控阵的扫描范围,且当扫描角度增大时,增益 会出现严重的衰落,甚至会出现一个或多个能量几乎和主波束相当的旁瓣电平。 为提高相控阵扫描范围,探索具有宽波束覆盖范围的天线单元成为了许多研究关 注的焦点。随着电子技术的不断革新进步,也推动了方向图可重构天线的研究, 使得方向图可重构天线也越来越受到国内外研究人员的青睐。方向图可重构天线 由于具有主波束重构能力,可以实现主波束的大范围的动态覆盖,使其成为宽角 度扫描相控阵天线单元的很好选择。在作为相控阵天线单元时,能够调节天线单 元方向图的状态,为阵列设计释放了更多的自由度。通过扫描角度的不同变换不 同的状态,很好的抑制了旁瓣电平,在无线通信、目标识别等国民经济和国防领 域也有着很好的应用前景。 另一方面是从阵因子入手。由于天线孤立单元所处的电磁环境和在阵列当中 所处的电磁环境大不相同,在阵列当中,由于单元之间的互耦会使得天线单元的 电子科技大学硕士学位论文 阻抗匹配特性和辐射特性发生变化,在天线单元间距很近时,强烈的互耦甚至会使得天线阵列在扫描至一定角度时出现某些端口完全失配的情况,端口能量被完 全反射,出现扫描盲点 [4-5] 。因此探寻抑制阵元间耦合的方法得到了广泛的关注, 为了减小阵元间的互耦,提出了许多方法,如增加阵元间距,在阵元间加载DGS、 EBG 结构,使用左手材料等 [6-9] 。但在传统等间距分布阵列当中,当阵元间距大于 半波长时,会在宽角度扫描的过程当中出现栅瓣。DGS、EBG 等带陷结构基本上 都是窄带的,且会引起较大的后瓣辐射和能量泄露。为了在增大阵元间距减小耦 合的同时不出现栅瓣等不良影响,使用稀布阵列是一个很好的选择。稀布阵由于 阵元的不等间距分布,在进行阵列设计时释放了更多的自由度,能够在可见区内 很好的抑制栅瓣电平,同时能够通过幅度的加权控制旁瓣电平的高低,因此能够 很好的运用在低旁瓣宽角度扫描相控阵当中。 综上所述,要实现相控阵宽角度扫描,可以通过运用稀布阵列来抑制栅瓣, 降低旁瓣电平,运用可重构天线作为单元来实现波束大范围的动态覆盖,也可以 使用宽波束天线单元实现单元方向图的大范围覆盖。 1.2 国内外研究历史背景与现状 在近十几年来,围绕着关于相控阵天线大角度扫描的实现方案,国内外学者 做了大量的研究和分析,主要可以将这些所做研究工作分为两大类。一类研究是 围绕着天线单元进行的,根据经典的天线阵列图乘法原理,在不考虑阵元间耦合 的前提下,天线总的方向图等于单元方向图与阵因子的乘积,倘若阵因子一定, 那么进一步拓宽单元方向图的波束宽度是一种实现宽角度扫描的可行方法。在这 种总体思路的指导下,国内外学者们做了大量的工作,即探索适用于相控阵列宽 角度扫描的天线单元的研究,其中又主要包括宽波束天线单元和方向图可重构天 线复合介质方形微带贴片天线 耦合馈电宽带宽波束天线]中提出了一种以复合介质为基板微带天线单元结构,该微带天线一半填充介质材料,另一半可以看做是介电常数为 的空气。此天线单元相比于传统的矩形微带天线单元来说具有更宽的半功率波束宽度,H 面展宽 75%,E 面展宽 10%,且增益具有明显的提高,如图 1-1 所示。文献[11]中设计了一款具有宽带宽 波束特性的微带天线单元,该天线单元采用耦合馈电的形式来增加带宽,并通过 加载枝节和开槽来优化天线单元的半功率波束宽度,如图 1-2 所示。该天线%的阻抗带宽,其E 面的半功率波束宽度都达到了120。在文献[12]中,通过采用基片集成波导技术,设计了一种背腔式贴片天线 所示,采 用此背腔式结构能够很好的抑制阵元间的耦合,使得阵列能够进行-60~60的波束 扫描。文献[13]中设计了一种工作在X 波段的双频宽波束天线 所示。此 天线是一种四臂梳状槽贴片天线,且具有低剖面的特性,通过调节槽的长度能够 有效的调节天线单元的谐振频率,采用耦合馈电和圆环加载的方法来展宽天线带 宽,并采取四周加载金属柱的方法来抑制天线单元之间的互耦。此天线组成的 天线阵列在两个工作频段均能够实现-60~60的波束扫描。文献[14]中也提出了一款工作在X 波段和Ku 波段的双频带天线 所示,通过调节L 形枝节的长度能够很好的控制天线的谐振频率。此天线具有体积小,低剖面等优 点,同样在天线周边加载了一圈金属柱,用来减小天线单元间的耦合,同时对于 波束的展宽也具有一定的效果。此天线 阵列能够实现低频时-60~60, 高频时-50~50角度的扫描。 图1-3 背腔式微带天线 双频带槽天线]中,提出了一种具有高效率的弯曲偶极子相控阵,该天线单元由传 统偶极子贴片演变而来,并通过弯折一定的角度来增大其半功率波束宽度,如图 1-7 所示,并在此基础上探索了半功率波束宽度随弯曲角度的变化而产生的变化, 电子科技大学硕士学位论文 从而找到了一个使波束宽度达到最大的最优解。文献[16-17]提出了一种实现宽波束天线单元的新方法,将微带贴片天线与超材料表面相结合,从而从理论上克服 了传统微带贴片天线在贴近地面区域方向图零点的限制,如图1-8 所示。通过设计 一种高阻抗表面,或者说是理想磁导体,并在其上方放置传统的微带电偶极子, 其波束宽度能够达到160,可以很好的实现宽角度扫描功能。 图1-5 槽天线 双频带微带贴片天线 新型偶极子天线 偶极子天线结合高阻抗表面 天线的可重构新型技术的提出始于上个世纪末,它的出现主要是为了迎合当 今无线通信系统向着超宽带、大容量、多功能的发展趋势。总体来说,可重构天 线可分为极化可重构天线、频率可重构天线和方向图可重构天线三大类。它可以 通过改变天线的机械结构、调节天线的电特性或者改变天线的材料特性来达到重 构的目的。可重构概念的提出虽然始于上个世纪,但由于受到当时微波开关的限 第一章 绪论 制,一直发展的较为缓慢。伴随着当今电子技术的飞速发展、微波二极管技术的不断革新,可重构天线的发展也日益迅速,并逐渐成为未来天线发展的一种趋势。 Main Beam Direction Reconfigurable Vee Antenna Pull/Push Bar Acurators Transmission Line Acurators Bias Vee Antenna Transmission Line Insulation Layer Substrate MainBeam Direction Reconfigurable Vee Antenna Pull/Push Bar Acurators Transmission Line Acurators Bias Vee Antenna Transmission Line Insulation Layer Substrate 图1-9方向图可重构V 形天线]中设计了一种方向图可重构天线 所示,通过采用 微型机械元件来控制天线两臂的张角大小,从而改变天线的辐射方向图。天线的 基本结构是一个 形的平面天线,其两臂分别连接在一对共面传输线的一端上,且以机械转轴固定,通过调节MEMS 制动器调节两臂之间的张角。这种机械扫描 的方式扫描速度较慢,操作起来较为繁琐。 SwitchSMA Probe Feed 图1-10可重构微带寄生阵列天线]中提出了一种微带形式的八木贴片天线 所示。天线主要 由一个连接馈源的振子和两个寄生振子构成。通过调节寄生振子的电尺寸,能够 有效的改变寄生振子自身的阻抗特性。当寄生振子的长度略小于馈源振子时,呈 电子科技大学硕士学位论文 容性,作为天线的引向器,当寄生振子的长度大于馈源振子时,呈感性,作为天线的反射器。可以在寄生贴片上加载微波开关来有效的调节寄生贴片的有效电长 度,从而改变寄生贴片的阻抗特性,实现辐射方向图的重构。在此基础上,文献[20] 将此可重构微带八木贴片天线与稀布阵列相结合,并设计了可重构天线单元的直 流偏置电路,对此重构天线的辐射特性进行了实验验证,如图 1-11 所示。实验结 果证明,该天线确实具有良好的方向图可重构能力,当运用在阵列当中,较传统 微带天线有着更强的宽角度扫描的潜力。 图1-11 带有直流偏置的八木可重构天线辐射方向图 稀布阵的研究起始于上个世纪60 年代 [26-30] 。对于传统等间距阵列而言,要使 可见区内不出现栅瓣,阵元间的间距必须小于半个波长,难以适用在一些天线尺 寸本身就很大的场合。另外,间距越小也就意味着单元间的耦合越强,这会导致 天线阻抗的失配和对辐射方向图造成影响。若采用非均匀间隔的稀布阵列则能很 好的解决上述问题,由于阵元间距大多大于半波长,因此阵元间的互耦较小。由 于阵元的稀疏布置,使得阵列孔径增大,主波束变窄,分辨率提高。此外,稀布 阵列能够很好的避免可见区内的栅瓣,阵元间的不等间距排布为阵列的设计增添 了更多的自由度,将其应用在相控阵宽角度扫描当中具有很大的潜力。 1.3 论文的主要工作及结构安排 本论文主要围绕相控阵列综合宽角度扫描这一技术难题展开研究,论文的内 容和创新点主要包括以下三个方面: 一、设计了一种对称分布加权稀布阵列,该阵列各个单元阵元间距及其幅度 呈中心对称分布,将此稀布阵列与可重构天线相结合,通过选取适当的加权函数, 第一章 绪论 单元加权稀布阵列进行了仿真和实验,实验结果表明该阵列在H 面上具有-70~70的扫 描范围,且旁瓣电平大多情况下保持在-10dB 以下; 二、设计了一种方向图可重构的磁偶极子天线,其工作原理与可重构八木电 偶极子天线类似,并将此天线运用在指数间隔稀布阵中,实现了波束-70~70范围 的扫描; 三、设计了一种宽波束互补偶极子天线,此天线,并将 其应用在相控阵中实现了E 面-70~70范围的扫描,旁瓣电平保持在较低水平。 本文的结构安排如下: 第一章 绪论。概述了相控阵列天线宽角度扫描的实现方法,国内外的研究现 状以及本文所做的工作。 第二章 简要的阐述了稀布阵、相控阵和可重构天线的基本理论,微波开关的 基本原理,可重构微带八木天线的工作原理以及有源单元方向图的基本原理。 第三章 设计了一种对称加权稀布阵列,与可重构八木天线相结合,分析了阵 元数,加权函数以及主要参数的选取对于阵列辐射特性的影响,设计了一种能够 实现宽角度扫描的稀布阵列。结合仿真结果对 的对称一维直线阵列进行了加工测试,并对所得到的结果进行了分析和研究。 第四章 方向图可重构磁偶极子的研究。设计了一种具有方向图重构能力的磁 偶极子天线单元,该天线的辐射机理与微带八木天线类似,通过改变寄生单元的 有效电尺寸来改变其阻抗特性,从而实现方向图的偏转。并以此为单元进行了阵 列的设计,仿真结果表明该阵列能够实现E 面-70~70的扫描范围,且旁瓣电平较 第五章宽波束天线单元及其阵列的研究。设计了一种具有宽波束的互补偶极 子天线单元,该天线具有低剖面、高增益、低交叉极化等特点,E 面半功率波束宽 140,并将其运用在阵列当中。对单元和阵列进行了仿真,并对仿真结果进行了优化和分析。 第六章 总结全文。本章对论文的工作进行了总结,并对相控阵列天线的发展 趋势进行了分析和展望。 电子科技大学硕士学位论文 第二章稀布阵和可重构天线 引言 稀布阵是指阵元的不等间距稀疏布置所组成的阵列,相比于等间距阵列而言,

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