基于人工电磁材料的宽角扫描相控阵天线研究

摘要

为了迎合相控阵雷达在搜索、探测、识别以及跟踪等方面日益增长的需求，具有宽角扫描性能的平面型相控阵天线的研究日趋活跃。本文以扩展平面微带结构相控阵天线的波束扫描范围为研究课题，创新性地提出了将高阻抗表面形式的人工电磁表面作为微带天线的地板，研究并提出了新型双端射天线单元、低剖面宽波束天线单元，并最终实现了波束扫描范围达±88°的平面宽角扫描相控阵，极大扩展了传统平面相控阵的波束扫描范围。此外，文中针对采用周期性亚波长单元构成的高阻抗表面所具有的极化敏感性问题，提出了两种表面波波导的拓扑结构，它们能够在宽频带内实现TM和TE模式相速度相同这一独特性能。本论文的主要研究内容概括如下：
　　第一章介绍了相控阵天线的发展背景，简要阐述了宽角扫描相控阵的研究背景及意义，系统地回顾了宽角扫描相控阵天线的国内外发展历程及研究现状。
　　第二章探索高阻抗表面作为天线地板时所具有的独特电磁特性。设计了一款新颖的基于高阻抗表面的具有双向端射性能的低剖面天线，证实了采用周期性人工电磁材料作为天线地板可以将耦合至地板上的电磁波转化成沿着地板结构传播的表面波，从而削弱传统天线金属地板的镜面反射作用，实现与常规的水平放置于高阻抗表面上方的线天线所呈现的边射方向图截然不同的辐射特性。
　　第三章简要介绍了可重构天线技术，提出了利用高阻抗表面实现微带Yagi-Uda型寄生阵列的低仰角辐射这一概念。基于此概念，设计了基于人工电磁材料的方向图可重构宽波束天线单元。该天线具有左右可切换的、波束偏向端射方向的宽波束方向图。分析了高阻抗表面上表面波传播特性，并对高阻抗表面的工作机理进行了理论阐述。
　　第四章创新性地提出了结合高阻抗表面和方向图可重构技术来扩展平面相控阵的波束扫描范围这一思想。首先，设计出一款基于高阻抗表面的方向图可重构天线单元；其次，将该天线单元应用于相控阵的设计中，通过采用等幅、递进相位馈电，该相控阵实现了宽达±88°的主波束扫描，突破了平面相控阵波束扫描范围窄这一难题。此外，文中对包含互耦效应的相控阵方向图模拟方法进行了回顾。
　　第五章研究了高阻抗表面在平面型宽角扫描相控阵上的应用。提出了基于高阻抗表面的印制板线天线单元及其阵列，该天线辐射结构为简单的线天线，从而突出了人工电磁材料在宽角扫描相控阵中的重要作用。阵列实现了扫描角宽达±85°的波束扫描范围，并具有旁瓣电平低、整个扫描区间内增益波动维持在3dB以内的优点。此外，提出并建立了基于高阻抗表面的宽波束天线的辐射机理模型图，为基于高阻抗表面的天线单元的宽波束辐射特性以及阵列的宽角扫描特性提供了理论依据。
　　第六章针对目前作为表面波波导的人工电磁材料所具有的极化敏感性问题，研究和提出了两种表面波波导的拓扑结构，它们具有以相同相速度支持TM和TE模式表面波传播的独特性能。文中以方环－网格形单元结构以及改进型蝴蝶结形式的单元结构作为代表，分析了这两种拓扑结构的表面波波导所具有的极化不敏感性特性。根据这两种拓扑结构可以具体构造出不同单元形式的极化不敏感的表面波波导。具有该性能的人工电磁结构可以应用于二维宽波束天线单元中以促进E面和H面的端射方向辐射，从而促进二维宽角扫描相控阵的实现。
　　第七章归纳和总结了本论文的主要工作，展望了下一步的研究工作。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 宽角扫描相控阵的国内外研究历史与现状

1.3 本论文的主要工作

1.4 本论文的结构安排

第二章 人工电磁材料及双端射天线单元设计

2.1 高阻抗表面简介

2.2 矩形结构的蘑菇型高阻抗表面设计

2.3 基于高阻抗表面的双端射天线设计

2.4 本章小结

第三章 基于人工电磁材料的方向图可重构天线单元设计

3.1 可重构技术概述

3.2 基于高阻抗表面的方向图可重构天线设计

3.3 本章小结

第四章 基于人工电磁材料的方向图可重构天线在宽角扫描相控阵中的应用研究

4.1 引言

4.2 相控阵天线方向图模拟方法

4.3 方向图可重构天线单元设计

4.4 宽角扫描相控阵设计

4.5 本章小结

第五章 人工电磁材料在宽角扫描相控阵上的应用研究

5.1 引言

5.2 基于高阻抗表面的线天线单元设计

5.3 基于高阻抗表面的宽角扫描相控阵设计

5.4 本章小结

第六章 极化不敏感的人工电磁材料

6.1 引言

6.2 表面波波导的理论分析

6.3 方环-网格形单元设计

6.4 双层蝴蝶结形单元设计

6.5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果