毫米波共形相控阵天线的阵元及馈电网络研究

摘要

随着现代通信、军事不断发展的需要，能够与载体共形的天线系统即共形天线的研究近年来日益得到重视，因为它不仅可以提供原来所需要的天线性能，而且不影响载体本身的机动特性。由于共形微带天线具有不额外占用空间和对飞行姿态影响小等优点，其在航空、制导等领域具有很大的吸引力，因此对共形微带天线阵的研究具有重要的工程价值和国防意义。但是共形天线的设计与分析还存在诸多困难：载体（尤其是金属载体）的曲率会影响天线的性能，大部分的计算方法处理共形电大尺寸时显得繁琐且耗时长，尤其在毫米波频段，为保证精度，这个问题就更显得突出。因此设计毫米波段共形相控阵天线的阵元及馈电网络是极具挑战性的课题。
　　本论文主要包括共形相控天线阵的研究进展和原理、毫米波圆柱共形相控阵的设计、双频圆锥共形天线阵的设计、低副瓣圆柱共形天线阵的设计以及圆极化圆柱共形天线阵的设计等六部分内容。本文以共形相控阵技术的发展应用为背景，介绍了毫米波共形相控阵的特点以及国内外的研究现状及发展趋势。分析了共形相控阵的基本原理，通过“实虚空间”的概念，分析了扫描中的阵列波瓣，总结出相控阵天线的方向性系数。通过分析馈电网络的设计原则和分类，总结了对馈电网络优化的方法和技巧，从而使天线阵的各项性能更加优化。分析了双频天线的设计困难和低副瓣天线阵的设计方法，介绍了不同类型的圆极化天线及设计原理。
　　本文根据各种微带天线的设计理论，采用不同的阵元和馈电网络组合，分别设计了圆柱共形相控阵、圆锥共形双频天线阵、圆柱共形低副瓣天线阵和圆柱共形圆极化天线阵等几种具有不同性能的毫米波共形微带天线阵。利用CST电磁仿真软件分别对各种平面阵列及共形阵列进行了设计和优化，并通过仿真结果分析和总结了它们的辐射性能。
　　本文所作的研究和设计为今后的进一步工作打下了扎实的基础，也为以后进行相似的共形相控阵天线设计提供了重要的参考依据。

目录

毫米波共形相控阵天线的阵元及馈电网络研究

Research on Element and Feed Network of Millimeter Wave Conformal Phased Array Antenna

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 共形相控阵天线研究进展

1.2.1 相控阵的研究进展

1.2.2 共形相控阵天线研究进展

1.3 课题的研究内容

第2章 共形相控阵天线原理分析

2.1 相控阵天线概论

2.2 相控阵天线的波瓣分析

2.2.1 相控阵天线波瓣的求法

2.2.2 相控阵天线的波瓣公式

2.3 相控阵天线的波瓣扫描

2.3.1 相控阵天线波瓣的实虚空间

2.3.2 天线的主瓣和副瓣

2.4 相控阵天线的方向性系数

2.5 共形相控阵天线基本原理

2.6 共形微带天线的研究

2.7 本章小结

第3章 共形相控阵天线的阵元及馈电网络设计

3.1 天线辐射单元的设计原理

3.1.1 介质基板材料的选择

3.1.2 辐射单元的选择

3.1.3 辐射单元参数的优化设计

3.1.4 矩形微带贴片天线宽度的设计

3.1.5 矩形微带贴片天线长度的设计

3.1.6 馈电方式的选择与阻抗匹配

3.2 矩形微带天线阵元的设计与仿真

3.2.1 平面微带贴片单元设计

3.2.2 圆柱共形微带贴片单元设计

3.3 平面微带天线阵的馈电网络设计

3.3.1 馈电网络

3.3.2 馈电网络的设计原则

3.3.3 馈电网络的分类

3.3.4 微带T 型结构功分器的理论分析

3.3.5 平面4×4 微带天线阵的设计与仿真

3.4 圆柱共形微带天线阵的设计

3.5 圆柱共形相控阵天线的波束扫描

3.6 本章小结

第4章 双频共形天线阵的设计与优化

4.1 双频天线概述

4.2 平面双频天线阵的设计

4.2.1 天线阵元的设计

4.2.2 双频天线阵的优化设计

4.3 锥面共形双频天线阵的设计

4.3.1 圆锥载体的设计

4.3.2 天线阵列的优化设计

4.4 贴片单元的长和宽对共形阵列谐振频率的影响

4.5 本章小结

第5章 低副瓣共形天线阵的设计与优化

5.1 天线低副瓣的实现原理

5.1.1 二项式分布

5.1.2 边缘分布

5.1.3 最优分布（切比雪夫分布）

5.2 平面低副瓣天线阵的设计

5.2.1 等功分天线阵的设计

5.2.2 低副瓣天线阵的设计

5.3 圆柱共形低副瓣天线阵的设计

5.3.1 共形等功分天线阵的设计

5.3.2 共形低副瓣天线阵的设计

5.4 本章小结

第6章 圆极化共形天线阵的设计与优化

6.1 圆极化微带天线概述

6.2 不同类型的圆极化微带天线

6.2.1 单贴片圆极化微带天线

6.2.2 圆极化天线阵列

6.3 圆极化平面微带天线阵的设计

6.3.1 平面微带天线阵元的设计

6.3.2 切角深度对谐振频率和轴比的影响

6.3.3 圆极化平面微带天线阵的设计

6.4 圆极化共形微带天线阵的设计

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢