基于矩量法的阵列天线互耦特性研究

摘要

互耦严重地影响到了阵列天线的性能，引起辐射方向图的失真和输入阻抗变化而导致的输入端口不匹配，因此要设计出性能优越的阵列天线，必须考虑互耦效应。矩量法作为一种有效的数值计算工具，可以准确的分析阵列的互耦特性。本文采用矩量法对空间耦合形式的偶极子天线阵和表面波耦合形式的微带天线阵的互耦效应进行分析和研究；同时基于子阵的思想，研究了大阵辐射场计算和大阵方向图补偿的问题。论文主要工作和研究成果可概括为：
　　1.运用矩量法研究了偶极子阵列天线的互耦特性。根据电磁场的边界条件，将波克林顿方程应用到天线阵上，再用矩量法求解方程。针对互耦对阵元馈电端口的影响，研究了互耦与阵元互阻抗、输入阻抗和电流分布之间的关系；针对互耦对阵列辐射特性的影响，研究了互耦对均匀阵、低副瓣泰勒阵和波束扫描阵的方向图的影响。
　　2.运用矩量法研究了微带阵列天线的互耦特性。首先根据等效原理和边界条件，得到用于求解三维金属导体与介质体混合结构的体-面结合积分方程，选用能有效减少求解未知量数的无散基函数离散介质结构，用缝隙电压源模型作为馈电模型，然后利用相关算例对计算结果进行验证。最后研究了两种不同排列方式的二元微带阵，主要分析了互耦对阵列单元反射系数、谐振频率、阵列的效率、方向性系数和增益的影响。
　　3.针对受计算机资源限制导致大阵辐射场难以计算的问题，研究了基于小阵电流分布和互耦阻抗矩阵两种方法。基于小阵电流分布计算大型阵列天线的电流分布，快速准确地计算出了大型线阵和面阵的辐射方向图；传统的阻抗矩阵外推法忽略了较远距离阵元的影响，本文利用二元阵互阻抗填充忽略了的互阻抗，使传统的阻抗矩阵外推法计算得到的辐射场更精确。
　　4.针对大型阵列天线的互耦补偿问题，提出了利用小型阵列天线的耦合补偿矩阵计算大阵的耦合补偿矩阵，可以对大型阵列的方向图进行有效的补偿。

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第一章 绪 论

1.1 研究意义与背景

1.2 国内外研究历史及现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本文论文的结构安排

第二章 阵列天线互耦的矩量法分析

2.1 互耦的定义

2.2 互耦的分析方法

2.3 阵列天线的基本理论

2.4 矩量法的基本原理

2.5 本章小结

第三章 偶极子阵列天线互耦分析

3.1 矩量法积分方程

3.2 仿真计算结果

3.3 互耦对阵列馈电端口的影响

3.4 互耦对阵列辐射特性的影响

3.5 本章小结

第四章 微带阵列天线互耦分析

4.1 矩量法积分方程

4.2 基函数和权函数的选取

4.3 积分方程的离散与求解

4.4 微带天线数值算例

4.5 互耦对微带阵列天线的影响

4.6 本章小结

第五章 考虑互耦的大型阵列天线辐射特性分析

5.1 基于小阵电流分布计算大型阵列天线辐射场

5.2 基于阻抗矩阵外推的大型阵列天线辐射场计算

5.3 大型阵列天线的互耦补偿

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果