星载相控阵天线与校准网络技术研究

摘要

论文结合特定科研项目选题，围绕应用于星载微波着陆系统的低互耦相控阵天线和校准网络展开了研究。 本文首先论述了所设计相控阵天线和校准网络的概念和应用及国内外研究现状与选题背景和意义；其次，阐述了论文的研究工作；最后给出了论文的研究成果和需要进一步研究的部分。 论文研究工作主要分为三个部分：第一部分设计了星载相控阵的辐射单元、5×5单元子阵和16×16单元阵列，仿真结果表明所设计的辐射单元满足天线阵列的组阵要求，天线阵列的性能达到了技术指标要求；第二部分设计了校准网络，仿真结果表明校准网络的性能满足技术指标要求。第三部分主要对天线阵列和校准网络的工程样机进行调试和测量，测量结果表明，天线阵列和校准网络的实测指标与仿真结果吻合，满足技术指标要求。该相控阵天线可应用于星载微波着陆系统中。本文的研究对相控阵天线的工程应用具有很高的实用价值。 论文的三项研究工作为： （1）低互耦星载相控阵天线技术研究 依据星载相控阵天线的技术指标要求，分析了天线阵列的设计难点，同时根据对称振子天线的相关理论，确定了辐射单元的基本结构和组阵方式。辐射单元采用在对称振子天线周围加载金属腔体的方式降低了相控阵天线单元之间的互耦效应，改善了相控阵天线方向图的扫描特性，而天线阵列由256个辐射单元按0.5λ0×0.5λ0间距排成均匀平面相控阵天线。采用HFSS仿真软件对辐射单元、子阵和天线阵列进行了仿真设计，仿真结果表明，所设计的相控阵天线满足线极化要求，阵列单元间的互耦优于-16dB，可在二维±60°范围内实现低副瓣波束扫描，满足星载相控阵天线的要求。 （2）相控阵天线校准网络技术研究 依据校准网络的技术指标要求，分析了校准网络的设计难点。针对Ku频段星载相控阵天线空间、重量、可靠性、耦合幅度和相位特性要求，提出了一种采用SIW实现的校准网络结构。校准网络采用内监测法，串馈功分器结构，实现了高可靠一体化设计的特点。采用HFSS仿真软件对SIW耦合器、串馈功分器、微带转接结构及校准网络整体加载16单元线阵结构分别进行了仿真设计，仿真结果表明，所设计的校准网络在f0?500MHz工作频带内，总口电压驻波比小于1.5，天线单元与校准线的耦合幅度-47±3dB，相位波动±7°，基本满足校准网络指标要求。 （3）相控阵天线工程样机与测量技术研究 根据星载相控阵天线的技术指标要求，研究了阵列单元的辐射特性、传输特性和校准网络传输特性的测量原理，并给出了相应的测量方法。由于16×16单元阵列的加工周期长、成本高，风险因素不可控，因而在仿真设计完成之后，先加工了5×5子阵，并进行了测试，通过一轮的调试，最终测试结果与仿真基本一致，同时解决了相关的设计和工艺问题。随后加工制造了16×16单元阵列的工程样机，并对其进行了测试。通过对测试数据的分析对比，测试结果与仿真结果一致，证明了论文中低互耦星载相控阵天线和校准网络的设计方法是有效的。

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