基于长直线螺旋子阵的高功率柱面共形阵列天线研究

摘要

天线作为高功率微波系统的收发终端，其性能在很大程度上决定了系统整体的工作性能。随着高功率微波技术的逐步发展，对高功率微波天线的要求也日渐提高。为此，需要在现有研究的基础上，不断推动地高功率微波天线朝着高功率容量、轻型化、小型化、共形化等方向发展。其中，共形技术由于其自身所具备的隐蔽性好，平台适应能力强等优点，在机载、舰载等领域获得了良好的应用前景，成为了现在天线技术的一个重要研究方向。而柱面共形天线作为共形天线中较为重要的一个分支，在具备上述优点的同时，还能进一步实现提升天线的波束扫描范围，优化天线的整体性能。　　高功率螺旋阵列天线在高功率微波天线的一系列技术研究中已被证明了具有功率容量高，设计较为简单，阵列扩展能力强，具备一定波束扫描能力等优点。但基于径向线馈电结构的螺旋阵列天线在进行柱面共形设计时，由于径向线本身的尺寸问题，不可避免的导致柱面共形不理想的问题；而通过拆分阵面，采用单元数较少的子阵来实现共形虽然可以进行更好的共形设计，但不可避免地导致馈电系统的高度复杂化，不利于其实际应用。为此，在高功率径向线螺旋阵列的研究基础上，本文通过对Ku波段长直线阵螺旋子阵天线的研究，设计实现了一种可以用于共形天线组阵的新螺旋子阵天线形式，并以此为基础，实现了柱面共形的高功率径向线螺旋阵列天线设计。　　论文首先对高功率微波、阵列天线、耦合探针等相关理论进行了概述，并对柱面共形阵列的工作原理进行分析，以得到了天线的整体设计框架。　　然后，通过对矩形波导和已有的探针形式的分析，讨论了长直线螺旋子阵馈电系统设计的难点，即探针对馈电系统反射影响较大及单元探针耦合差异大。在原有探针的基础上，提出了能够有效抑制耦合的波导壁嵌入式探针及在此探针基础上的天线整体馈电网络，通过对各部分进行相关仿真研究，最终实现了Ku波段80单元长直线螺旋子阵的设计。仿真表明，该长直线子阵在中心频点下反射小于-28dB，轴向辐射增益26.1dB，轴比1.72dB，同时具备166MW的功率容量，实测得到其增益24.6dB，轴比为2.31dB，实测结果与仿真较为接近，验证了其可行性。　　最后，在该子阵的基础上，完成了用于柱面共形阵列的馈电网络设计，得到了用于高功率柱面共形螺旋阵列天线的功率分配网络，并完成了高功率柱面共形螺旋阵列天线的整体仿真模型并对其进行了仿真模拟，证明了其在具备高功率容量和柱面共形能力的同时，具备一定的波束扫描能力。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高功率天线国内外研究现状

1.2.2 共形天线研究现状

1.2.3 高功率共形天线研究现状

1.3 本文主要内容及安排

第 2 章 高功率螺旋阵列天线基本理论

2.1 天线基本理论

2.1.1 方向性系数及增益

2.1.2 轴比

2.1.3 驻波比

2.1.4 带宽

2.2 阵列天线基本理论

2.2.1 线阵列天线理论

2.2.2 圆环阵列天线理论

2.2.3 圆柱阵列天线理论

2.3 耦合探针

2.3.1 耦合探针的基本分类

2.3.2 常用的耦合探针形式

2.4 本章小结

第 3 章 柱面共形天线阵初步设计

3.1 圆柱面共形阵列布局设计

3.2 欧拉空间坐标变换

3.3 圆柱阵扫描波束形成

3.4 本章小结

第 4 章 长线阵螺旋子阵的设计与优化

4.1 矩形波导内相关特性分析

4.2 耦合探针设计

4.2.1 波导壁嵌入式探针结构

4.2.2 基于波导壁嵌入式探针的复合探针

4.3 子阵布局设计

4.4 馈电系统设计

4.5 子阵辐射特性仿真设计

4.6 子阵功率容量分析

4.7 实验验证

4.7.1 子阵性能测试方法

4.7.2 子阵性能参数测试

4.8 本章小结

第 5 章 共形阵列天线馈电网络设计及整体仿真

5.1 一分四路波导功分器设计

5.2 波导馈电网络设计及仿真

5.3 阵列天线整体结构及工作原理

5.4 传输特性分析

5.5 辐射特性分析

5.6 功率容量分析

5.7 本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1 工作内容及总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文