具有多相位中心的自适应天线单元及阵列设计

摘要

相控阵天线可以为雷达制导、探测、及跟踪等提供及时的信息，增大相控阵的扫描角度意味着可以在更大的空域内发现目标。传统平面相控阵在进行大角度扫描时，会出现有效口径急剧减小、副瓣升高、阵列有源阻抗失配等问题，从而使得扫描范围通常限制在±60°以内。采用波束可偏转的阵列天线单元可以提高阵列在扫描到低仰角处的增益，进而拓宽阵列的扫描范围。但目前波束可偏转天线单元大多基于波束可重构技术，其结构通常较为复杂，难以应用。本文提出一种波束自适应偏转的天线单元设计方法，将该天线单元应用于相控阵天线阵列时，单元天线的辐射波束可随阵列扫描角度不同而自适应偏转，从而获得较大的阵列波束扫描范围。
　　首先，基于方向图乘积原理，本文提出了具有多相位中心的天线单元，每个相位中心单独馈电，通过对各相位中心馈电幅度和相位的调节可实现单元辐射波束的偏转。同时，在设计时单元各相位中心采用与阵列单元相同的馈电相位差，从而使得:其一，可在不增加移相器个数以及不改变传统阵列天线馈电网络的前提下，实现单元方向图的偏转;其二，可以利用阵列馈电网络直接控制单元波束偏转，此即单元方向图的“自适应偏转”。
　　其次，根据自适应天线单元及阵列原理设计了1×7单元的一维大角度扫描阵列天线。阵列天线单元基于微带磁偶极子结构，具有双相位中心。由于双相位中心间距较近，馈电端口间的耦合较强，因此本文还引入了电路去耦的方法。仿真结果显示加入去耦电路后，中心频点处的耦合由-13dB降到-33dB以下，并且整个工作频带内的耦合小于-15dB。进一步，对设计的1×7的相控阵天线阵列进行了加工和测试，其后端的馈电网络可与传统相控阵的馈电网络相兼容。阵列天线的仿真和实测结果基本一致，实测结果显示阵列可以在增益损失小于3dB的前提下，实现±70°范围内的波束扫描。
　　最后，根据自适应天线单元及阵列原理设计了二维大角度扫描阵列天线。首先，设计了具有四相位中心的二维自适应天线单元，分析了其波束偏转与各相位中心的馈电幅度和相位之间的关系，并以ψ=0°、30°、45°、60°、90°这五个面为例进行了仿真验证。进一步，详细讨论了基于自适应辐射单元的二维阵列天线的馈电结构以及设计方法。同时，考虑到本文设计的单元结构是旋转对称的，分别进行了1×8的一维阵列和8×8的二维阵列仿真设计。仿真结果显示，可以在增益损失小于3dB的前提下，分别实现±73°和±67°范围内的波束扫描，优于传统阵列天线的扫描范围。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．1．1 阵列天线波束扫描方式

1．1．2 相控阵天线的应用领域和发展面临的挑战

1．2 大角度扫描相控阵的国内外研究进展

1．3 论文研究内容

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法及路线

1．3．3 本文结构

第2章 基于自适应天线的大角度波束扫描原理

2．1 引言

2．2 相控阵波束工作原理

2．2．1 线性相控阵波束扫描原理

2．2．2 平面相控阵波束扫描原理

2．2．3 传统平面相控阵波束扫描范围

2．3 自适应天线波束扫描原理

2．3．1 自适应天线单元及阵列的工作原理

2．3．2 自适应天线单元设计方法及要点

2．4 小结

第3章 一维自适应天线单元设计

3．1 引言

3．2 一维自适应天线单元结构设计

3．3 端口间隔离度的提高

3．3．1 微带天线耦合种类分析

3．3．2 子单元间去耦结构原理

3．3．3 子单元间去耦结构设计

3．4 自适应天线单元加工实测

3．5 小结

第4章 一维大角度扫描阵列天线设计

4．1 引言

4．2 一维大角度扫描阵列天线仿真设计

4．2．1 基于自适应辐射单元的阵列天线设计

4．2．2 基于移相器控制的波束可重构阵列分析

4．3 基于自适应辐射单元的一维阵列加工实测

4．4 小结

5．1 引言

5．2 二维自适应天线单元设计

5．3 基于自适应辐射单元的二维大角度扫描阵列天线设计

5．3．1 二维大角度扫描阵列天线馈电结构

5．3．2 基于自适应单元的二维阵列设计方法

5．3．3 基于二维自适应辐射单元的阵列天线仿真设计

5．4 小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文和取得的研究成果