大型平面阵列方向图综合研究

摘要

由于科学技术的快速发展，无线传输作为卫星通信、地面微波接力和各种军民雷达信息的传递方式，扮演了愈来愈重要的角色。天线是辐射和接收电磁波的一种技术装置，其特性可以直接影响到无线系统的工作性能。因此，在无线系统中设计出满足系统要求的天线设备具有举足轻重的作用。
　　随着无线通信技术的迅猛发展和广泛应用，对天线性能提出了更高的要求。高性能的天线不仅可以放宽对系统的要求，并且能够改善整个系统的性能。不仅要求天线具备高增益、宽频带范围内的全向、扇形以及赋形波束等技术特点，而且要求天线具备电尺寸小、重量轻、造价低、结构简单等物理优点。然而，单一天线单元通常无法完全满足这些苛刻的要求，最简单且行之有效的方法就是对天线单元进行排列组合构成阵列。因此，寻求高效、简单且稳定的方向图综合算法一直是天线领域的焦点。大型平面阵列由于具有较宽的方位和俯仰扫描能力、较高的增益以及易于实现的三维波束赋形，从而得到了广泛应用。
　　本文正是结合相关研究项目，对大型平面阵列方向图的综合展开了相关研究工作，可以分为以下三个部分：
　　第一，研究了大型周期平面阵列的快速方向图综合方法。首先建立阵列激励与阵列阵因子的傅里叶变换关系；其次应用基于快速傅里叶变换的交替投影算法对阵列进行方向图综合。针对传统交替投影算法收敛速度慢的缺点，本文提出两种改进交替投影算子，分别对具有周期性排布特点的矩形栅格阵列和任意三角栅格阵列进行快速方向图综合。具体的仿真计算，验证了改进投影算子收敛速度快，计算时间短的优势。
　　第二，研究了大型非周期平面阵列的快速方向图综合方法。针对非周期阵列激励与阵列阵因子之间的非周期傅里叶变换关系，提出一种快速综合非周期阵列方向图的方法。其基本思想是，首先在非周期阵列中内插虚拟单元构成虚拟周期阵列，然后利用基于快速傅里叶变换的交替投影算法对虚拟周期阵列进行方向图综合，最后通过周期阵列与非周期阵列的矩阵变换关系，得到相应的非周期阵列阵元激励。通过仿真计算，虚拟周期阵列的方向图与实际非周期阵列的方向图几乎完全吻合，验证了内插思想的可行性与正确性。
　　第三，对时间调制阵列进行了理论研究与阵列方向图综合应用。通过在阵列设计中增加时间维，减小了阵列激励幅度的动态范围，从而降低了馈电网络的设计复杂度。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作及内容安排

第二章 阵列天线基本理论及常见方向图综合方法

2.1 阵列天线基本参数

2.2 常见方向图综合方法及阵列方向图综合实例

2.3 本章小结

第三章 大型周期平面阵列的方向图综合研究

3.1 交替投影算法

3.2 交替投影算法与阵列方向图综合的关系

3.3 矩形栅格平面阵列方向图综合方法

3.4 任意三角栅格平面阵列方向图综合方法

3.5 本章小结

第四章 大型非周期平面阵列的方向图综合研究

4.1 不等间距阵列概述

4.2 不等间距阵列阵因子的快速计算

4.3 非周期平面阵列方向图综合方法

4.4 阵列方向图综合实例

4.5 本章小结

第五章 时间调制阵列

5.1 时间调制阵列天线辐射原理

5.2 时间调制方式

5.3 时间调制阵列效率

5.4 阵列方向图综合实例

5.5 本章小结

第六章 结论和展望

参考文献

致谢

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