相控阵宽带宽角扫描方法研究

摘要

近数十年里，相控阵天线的研究热度依然在不断提高，尤其是具备宽带、宽角扫描性能的相控阵天线，其在各领域均有广泛应用。本文对宽带、宽角扫描相控阵天线的设计方法和性能提升做了深入研究，主要工作包括以下几个部分： 1.设计了一款工作于C波段的一维宽带、宽角扫描相控阵天线。 在该设计中，为了使得天线具有宽带的特性，首先研究并设计了一种宽带的电磁带隙结构（EBG），其反射相位在±90°范围内的工作带宽为59.7%，并用作偶极子天线的地板。所设计的覆盖有单层宽角阻抗匹配层的一维线阵具有大于19.8%的工作带宽，在H面内可以实现±80°的扫描范围，同时扫描波束增益相对于侧射时波束的增益下降小于3dB。 为验证仿真结果，加工了一个阵列实物以及两组馈网，分别用于侧射及80°扫描。实测的有源电压驻波比（VSWR）以及辐射方向图结果均与仿真结果吻合较好，可以说明仿真结果的正确性。 2.设计了一款工作带宽大于5倍频、波束在E面可扫描至±80°，同时在H面可扫描至±45°的超宽带宽角扫描相控阵天线。 在该设计中，采用了连接型缝隙天线作为相控阵的基本单元，因为该类型的阵列天线与紧耦合偶极子阵列相似，具有本质的宽带特性，是用来设计超宽带宽角扫描相控阵的极佳选择。为了补偿背部金属地板所引入的感抗，在缝隙天线的金属贴片上设置了交指型缝隙结构，通过仔细优化其各个参数可以有效增强电容耦合，同时极大拓展了阻抗带宽。 另一方面，本文还提出了一种基于等效电路模型的频率选择表面（FSS）型宽角阻抗匹配层的设计方法，并通过自行设计的MATLAB程序寻找出FSS型宽角阻抗匹配层的最佳结构。优化程序采用了一种强大的优化算法，即粒子群优化算法（PSO）以寻找全局最优解及提高优化速度。无限大阵列的仿真结果显示，利用该方法设计的相控阵天线可以实现E面±80°的波束扫描范围，VSWR小于3的阻抗带宽达到5.54:1（0.87~4.82GHz），H面的扫描范围为±45°，VSWR小于3的阻抗带宽达到了5.12:1（0.82~4.2GHz）。 为验证设计，加工了一个31×6规模的实物阵列并进行了测试，其有源VSWR及方向图的测试结果均与仿真结果基本吻合，验证了设计方法及仿真结果的正确性。该设计方法不仅大大提高了天线的设计效率，同时改善了整个频带内的宽角扫描性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景和意义

1.2 国内外宽带、宽角扫描相控阵天线研究现状

1.2.1 相控阵天线的宽角扫描性能

1.2.2 相控阵天线的宽带性能

1.3 本文主要工作及结构安排

第二章 基于宽带EBG结构的宽带宽角扫描相控阵

2.1 宽带EBG 结构设计

2.2 一维宽带宽角扫描相控阵设计

2.3 20单元线阵测试结果

2.4 本章小结

第三章 基于频率选择表面的宽带宽角扫描相控阵

3.1 设计原理

3.1.1各向同性WAIM的设计原理

3.1.2 FSS匹配层的设计原理

3.2.1 缝隙天线

3.2.2 FSS型宽角阻抗匹配层设计

3.3有限大×无限大阵列仿真

3.4 有限大阵列仿真

3.5.1 实物模型

3.5.2 有源VSWR测试结果

3.5.2 方向图测试结果

3.6 本章小结

全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果