铁氧体移相器和PIN管移相器的研究与设计

摘要

移相器是相控阵雷达波束控制系统中的核心器件，用来控制天线单元发射信号的相位，其移相精度和开关时间直接决定了整个相控阵雷达的扫描精度和速率。一般每个天线单元对应一个移相器，所以移相器的插入损耗和功耗将对整个雷达系统产生重大影响。当前的移相器主要采用铁氧体和PIN管两种方式实现。
　　由于铁氧体移相器涉及复杂深奥的旋磁理论，本文首先对铁氧体材料特有的张量磁导率进行了分析和计算，就横向磁化下的互易双折射效应进行了分析，仿真研究了横向磁化的部分充填铁氧体波导结构得相移特性和场移特性，由此引出对目前应用比较广泛的背脊波导铁氧体移相器的研究与设计。针对背脊波导铁氧体移相器匹配难度大这一问题，提出在传统的方形介质匹配端口外再添加一段介质薄片，形成三级阶梯匹配，通过系统地调节薄片的形状和尺寸，寻找到最佳匹配参数，与参考文献的仿真结果相比，本文将驻波系数从2.1减小到1.4，而且驻波系数小于1.4的带宽从10％扩展到20%，插入损耗从0.6 d B减小到0.34dB，相移特性也有一定改进，降低了驻波系数对薄片长度的加工精度的要求。可见，添加此薄片对移相器的性能提升显著，对工程实践具有重要的价值。
　　其次，本文对以 PIN管为核心的加载线型移相器、反射型移相器和开关型移相器进行了深入研究。由于此电路设计的难点在于，当电源从+3V改变为-3V时，PIN管实现导通到断开的转换，使得电路结构发生了变化，原来匹配好的电路可能就完全不匹配了。本文对PIN管的简易模型加以改进，在仿真过程中加入了电源模型，并应用了精确的PIN二极管S参数模型，最大限度的保证了仿真的准确性，实现了11.25°、22.5°、45°、90°和180°移相器的电路设计与仿真。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本文主要研究内容及结构安排

第二章 铁氧体张量磁导率的理论分析与计算

2.1 铁氧体的磁化曲线

2.2 电子自旋与磁进动方程

2.3 理想无耗情况下的张量磁导率

2.4 外张量磁导率

2.5 去磁态磁导率

2.6阻尼情况下的磁导率

2.7 本章小结

第三章 横向磁化铁氧体的电磁场计算与仿真分析

3.1 横向磁化无限大铁氧体的波动方程

3.2 横向磁化下的互易双折射效应分析

3.3 横向磁化单片铁氧体波导的相移特性分析

3.4 横向磁化单片铁氧体波导的场移特性分析

3.5 本章小结

第四章 Ka波段背脊波导铁氧体移相器的分析设计

4.1 背脊波导铁氧体移相器结构分析

4.2 背脊波导铁氧体移相器匹配方式的改进

4.3 离散相移量背脊波导铁氧体移相器的设计与仿真

4.4 五级移相器单元的级联

4.5 本章小结

第五章 PI N二极管移相器特性分析

5.1 PIN二极管的结构与工作原理

5.2 PIN二极管的等效电路和主要技术指标

5.3 PIN管移相器的移相原理

5.4 本章小结

第六章 PI N二极管移相器的建模与设计

6.1 加载线型移相器的设计与仿真

6.2 反射式移相器的建模与设计

6.3 开关线型移相器的设计与仿真

6.4 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果