基于MOM的均匀圆阵列天线性能仿真与分析

摘要

均匀圆阵列（UCA）天线是舰船上常用的战术通信天线，通常工作于V/UHF(30MHz～3GHz)频段，其特点是能形成全向性的方向图，也能生成均匀分布的多个相同单波束,还能产生主波瓣指向阵面法向的单波束方向图，所以研究其性能具有较大的实际意义。
　　本文使用的主要是基于RWG基元的MOM法数值计算UCA天线系统的辐射性能,是对数值方法解决天线问题的一种实践。首先介绍了UCA和MOM法基本理论知识，并在此基础上推导了如何借助RWG基元，利用MOM法求解电场积分方程（EFIE），最终给出了辐射体在空间中任意一点处电场和磁场的求解公式。
　　其次在实际求解天线辐射场的过程中，本文首先选取简单的单个偶极子为目标，编写了求解其表面电流、天线输入阻抗、在任意一点处辐射所产生的电场和磁场到输入总功率和辐射总功率的完整代码库，然后对其辐射特性进行了深入细致的研究，并把结果与偶极子解析理论和FEKO仿真结果对比分析，初步验证了本文算法和编程的正确性；最后在单个偶极子的基础上利用遗传算法生成UCA天线的几何结构并利用与前面类似的代码求解UCA天线的辐射特性，分析了圆阵半径、阵元数目以及阵元间的耦合作用对其系统性能的影响，为今后设计UCA天线提供了直接的指导作用。
　　最后在传统 UCA天线的基础上做了阵元扩展为蝴蝶结天线和阵列形状扩展为同心多圆环阵列的两种扩展分析。此外还将传统UCA天线与均匀线阵列（ULA）天线性能进行了对比分析，为以后一些有特殊需要的实际应用场合提供了设计思路。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文研究内容和结构

2 均匀圆阵列天线和矩量法简介

2.1 均匀圆阵列天线

2.1.1均匀圆阵列天线简介

2.1.2均匀单圆环阵列天线的理论推导

2.2 矩量法（MOM）简介及RWG基元法

2.2.1矩量法的基本原理和求解步骤

2.2.2 基于RWG基元的矩量法

3 基于MOM法的UCA天线性能仿真与分析

3.1 单个偶极子天线的仿真分析

3.1.1单个偶极子天线理论模型仿真

3.1.2单个偶极子天线MOM方法仿真

3.1.3小结

3.2 均匀单圆环阵列天线的仿真分析

3.2.1均匀单圆环阵列天线的解析模型仿真

3.2.2均匀单圆环阵列天线FEKO软件仿真

3.2.3均匀单圆环阵列天线MOM算法仿真

3.2.4小结

3.3 圆阵半径对均匀圆阵列性能的影响

3.3.1半径对方向图E面和H面的影响

3.3.2半径对端阻抗的影响

3.3.3半径对增益和总的辐射功率的影响

3.4 阵元数目对均匀元阵列性能的影响

3.5 阵元间的耦合分析

3.5.1端输入阻抗Zin和输入功率Pin

3.5.2耦合分析

4 UCA天线的扩展分析

4.1 阵元的扩展

4.1.1 单个蝴蝶结天线阵子

4.1.2 蝴蝶结UCA天线阵列

4.2 同心多圆环阵列仿真分析

4.2.1 UCA\(10\)

4.2.2 PUCA(1：9)

4.2.3 PUCA(1：4：5)

4.2.4 小结

4.3 与ULA阵列的性能对比

4.3.1直线阵仿真

4.3.2波瓣扫描问题

5 总结与展望

致谢

参考文献