机载合成孔径雷达叠层宽带微带天线的研究

摘要

合成孔径雷达是一种高分辨率主动式成像雷达。除分辨率高外，合成孔径雷达还具有探测距离远，受光照、气象环境限制小，可穿透地物等特点。这些理想的特性，很大程度上与其天线性能相关，其分辨率、灵敏度、信噪比和探测距离等多个关键参数与天线的带宽、方向图、增益等参数有着直接的联系。提升雷达系统的性能，很重要的一部分工作是提升合成孔径雷达天线的性能。微带阵列天线是机载合成孔径雷达天线一种重要实现形式，对微带天线的研究是合成孔径雷达天线研究的一个重要方向。
　　阻抗带宽较窄一直是宽带微带天线设计的瓶颈。利用叠层技术和缝隙技术等手段，可有效扩展天线带宽，但伴随而来的是方向图性能变差，出现最大增益方向零偏问题和副瓣、后瓣增大的问题。另外，机载天线的特殊结构要求，小型化雷达系统的迫切需求都给微带天线的小型化设计提出了更严格的技术要求。这些问题都是目前机载合成孔径雷达微带天线设计中亟待解决技术的热点、难点问题。
　　本文首先结合叠层技术和缝隙技术，设计了U型缝隙叠层微带天线，通过频带内多谐振点的设置，使阻抗带宽达到了24.5％。在此基础上，利用缝隙贴片结构和表面电流的对称特性，对天线进行了小型化改进，设计了半U型缝隙叠层宽带微带天线，在阻抗带宽为19.5%的情况下，其平面面积相对于前者缩小了29.1%。
　　但在上述宽带天线设计和小型化设计的同时，天线方向图的性能并不理想，出现了旁瓣和后瓣过大，E面和H面方向图不对称，最大增益方向零偏等问题。针对此类问题，本文提出了一种非对称缝隙贴片投影修补法，优化叠层缝隙天线或缝隙天线的方向图。通过此方法，本文优化了C型缝隙微带天线和半U型缝隙叠层微带天线两种天线结构，设计了倒置C型缝隙叠层微带天线和倒置半 U型缝隙叠层微带天线，实验结果表明，结构优化后的天线的最大增益方向零偏问题和方向图对称性都得到了不同程度的改善。
　　使用EBG结构可改善天线方向图性能。本文分别设计了小型化UC-EBG结构和小型化金属 EBG结构，两种 EBG结构小型化特征明显，带隙特性理想。将小型化金属EBG结构反射板应用于倒置半 U型缝隙叠层微带天线阵，天线前后比得到了明显的改善。
　　合成孔径雷达对于副瓣抑制比和增益等参数要求较高，微带天线一般都要采用阵列形式。本文使用文化算法对多条件下的超低副瓣阵列天线进行了综合。通过与其他传统算法和进化算法的对比，多方面验证了文化算法对于超低副瓣阵列天线方向图综合更为有效。
　　最后，在上述研究的基础上，本文针对课题指标设计试制了一副机载合成孔径雷达用8单元倒置半U型缝隙叠层微带阵列天线，其增益达到16.12dB，主瓣宽度14Deg，副瓣抑制比达到20.12dB。

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第1章 绪论

1.1合成孔径雷达原理简述

1.2课题背景与研究现状

1.3论文结构和主要创新工作

第2章 叠层宽带微带天线设计

2.1宽带微带天线

2.2 U型缝隙叠层微带天线

2.3半U型缝隙叠层微带天线

2.4叠层宽带微带天线性能对比

2.5本章小结

第3章 方向图改善技术的研究

3.1 EBG结构优化天线方向图

3.2非对称缝隙贴片投影修补法

3.3 C型缝隙叠层微带天线的设计与仿真

3.4半U型缝隙叠层天线方向图优化设计

3.5本章小结

第4章 超低副瓣阵列天线综合

4.1超低副瓣阵列天线概述

4.2阵列天线方向图综合基本理论

4.3文化算法综合阵列天线方向图

4.4本章小结

第5章 8单元叠层微带阵列天线的设计

5.1 8单元阵列天线的综合

5.2幅度加权8单元线阵馈电网络的设计

5.3 8单元叠层宽带微带阵列天线

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢