平面微带相控阵天线大角度低旁瓣扫描问题研究

摘要

相控阵天线由于具有快速扫描的特点，使其在雷达探测以及卫星通信等领域具有不可替代的作用。针对平面相控阵天线，为了使其波束扫描范围更大，应用范围更广，近年来研究学者们把重点放在了对相控阵天线扫描角度的扩展和波束质量的优化上。本学位论文是以平面微带相控阵天线为研究载体，对相控阵天线的大角度扫描及低旁瓣优化问题进行研究和探讨，主要内容如下：
　　第一部分主要对不同形式的宽波束相控阵单元天线的工作特点和原理进行研究和分析。首先，在平面微带天线结构中，运用缝隙等结构产生等效磁流。分析磁流和电流在无限大金属地板环境下的不同辐射状态。根据金属表面的边界条件和镜像原理分析得出平面磁流对于微带天线宽波束和低仰角辐射的产生具有重要作用，并据此设计具有宽波束或低仰角辐射特性的微带平面天线。其次，分析了基片集成波导结构的缝隙天线。通过理论及仿真介绍基片集成波导上缝隙的排布方式以及工作原理，分析缝隙对天线辐射的影响，最终获得宽波束辐射特性。最后，在微带天线上将磁流和电流相结合，得到一种产生宽波束圆极化辐射方向图的电磁偶极子天线。分析了电流和磁流同时产生的方法，以及二者之间幅度和相位的调节，水平极化电场和垂直极化电场在保持幅度相同的情况下实现90°相位差地结合，形成圆极化辐射波束。将这三种基本的原理引入到微带天线中，设计了四种不同形式的宽波束或低仰角高增益波束覆盖的单元天线，为后面的相控阵天线大角度扫描研究打下了基础。
　　第二部分主要对平面微带相控阵天线的大角度扫描问题进行了研究，对不同天线单元以及不同相控阵结构的特点进行了分析和总结。首先，介绍了以微带磁偶极子单元天线和微带磁偶极子八木子阵所构建的两种相控阵天线的阵列排布方式及工作原理。阵列中重点研究了耦合贴片结构在阵列有源单元间耦合能量传递方面所起到的作用。在耦合作用的帮助下阵列的有源单元方向图相比自由环境中得到了扩展，使得阵列的扫描角度大幅度提高。其次，以基片集成波导缝隙天线为单元构建相控阵天线。阵列中金属通孔所构成的等效电壁保证了单元天线电场模式稳定，有源单元保持17％以上的相对带宽。相控阵在工作频带内保持大角度的扫描范围。然后，以电磁偶极子天线为单元构建相控阵天线，分析阵列结构对有源单元辐射方向图的极化和波束宽度等参数的影响，实现了大角度的圆极化扫描。最后，在平面微带正方形贴片天线上同时激励TM010模式和零阶谐振（ZOR）模式，利用二者在方向图上互补的特点形成宽波束覆盖的辐射方向图，由其构建的6×6的平面相控阵天线实现了二维空间上的双极化大角度扫描。
　　第三部分主要以微带磁偶极子相控阵为载体，研究大角度范围内的扫描波束低旁瓣优化问题。首先，采用遗传算法对阵因子进行优化，利用CST计算得出的有源单元方向图作为阵因子中的单元，从而计及耦合所带来的影响。实验表明该方法可以有效降低大角度扫描范围内扫描波束的旁瓣大小。然后，运用神经网络预测的方法代替阵因子对相控阵的扫描波束进行模拟计算。通过反馈式神经网络对阵列进行模拟，其计算结果避免了耦合匹配等不确定因素的干扰，更加准确。对预测结果运用遗传算法进行优化。最后，对优化结果进行试验验证，仿真和测试都证实了该方法在大角度范围内实现了对旁瓣的优化。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 相控阵天线研究现状

1.3 研究工作的主要创新点和主要贡献

1.4 本学位论文的章节安排

第二章 宽波束特性的平面微带相控阵单元天线分析

2.1 微带磁偶极子及宽波束子阵

2.2 多端口平面微带端射天线

2.3 宽波束基片集成波导缝隙天线

2.4 宽波束圆极化天线

2.5 小结

第三章 平面微带相控阵天线大角度扫描问题研究

3.1 微带磁偶极子子阵构建的大角度扫描相控阵

3.2 微带磁偶极子大角度扫描相控阵

3.3 SIW缝隙天线大角度扫描相控阵

3.4 平面微带圆极化大角度扫描相控阵

3.5 平面二维相控阵天线大角度扫描问题研究

3.6 小结

第四章 平面微带大角度扫描相控阵天线旁瓣优化问题研究

4.1 用遗传算法优化降低平面微带相控阵大角度扫描中的旁瓣

4.2 用神经网络预测降低平面微带相控阵大角度扫描中的旁瓣

4.3 小结

第五章 结论与展望

5.1 全文工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果