時(shí)間調(diào)制陣列天線的研究.pdf

1、時(shí)間調(diào)制陣列(Time-Modulated Array,TMA)天線是一種基于時(shí)間調(diào)制技術(shù)的新型陣列天線，通過將“時(shí)間”作為第四維設(shè)計(jì)自由度引入到三維空間常規(guī)陣列天線設(shè)計(jì)中，使陣列天線具有時(shí)間調(diào)制特性，從而控制陣列天線的輻射特性。本文首先對(duì)時(shí)間調(diào)制陣列天線理論和分析方法開展了研究，然后從簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本和先進(jìn)性能角度出發(fā)，解決了時(shí)間調(diào)制陣列天線在單波束掃描應(yīng)用中尚存的性能缺陷、發(fā)掘了時(shí)間調(diào)制天線技術(shù)在方向回溯陣列天線中的應(yīng)用及

2、其優(yōu)勢(shì)、并探索了廣義時(shí)間調(diào)制陣列天線—時(shí)間調(diào)制頻率分集陣列天線的相關(guān)理論和潛在應(yīng)用。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作可以概括如下:
　　1.時(shí)間調(diào)制陣列天線的時(shí)頻域全波特性:為了在互耦效應(yīng)下對(duì)時(shí)間調(diào)制陣列天線進(jìn)行精確的分析與模擬以及對(duì)其性能有全方面的把握，提出了基于陣中互阻抗公式的TMA解析求解方法，大大提高了TMA優(yōu)化設(shè)計(jì)的全波分析效率。利用該解析方法，在時(shí)域和頻域?qū)MA的輻射特性展開了全面的分析，給出了方向圖和方向性系數(shù)計(jì)算的時(shí)頻域全

3、波表達(dá)式。為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性和高效性，在天線單元等幅同相激勵(lì)條件下，給出了均勻間距TMA和不均勻間距TMA低副瓣方向圖綜合和恒定瞬時(shí)方向性系數(shù)綜合的數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。
　　2.單邊帶時(shí)間調(diào)制相控陣(Time-Modulated Phased Array,TMPA)天線:在單波束掃描時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)相控陣中移相器的量化誤差、控制電路復(fù)雜及成本昂貴和TMA的無用基頻輻射及其它邊帶輻射導(dǎo)致的天線效率低下等缺陷，提出了單邊帶時(shí)間調(diào)制

4、相位加權(quán)技術(shù)，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的脈沖時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了無移相器的相控陣功能。在兩種不同脈沖時(shí)序—矩形脈沖時(shí)序（即采用理想開關(guān)）和梯形脈沖時(shí)序（即考慮開關(guān)上升沿和下降沿過渡效應(yīng)）體制下，研究并證明了單邊帶TMPA的波束掃描特性且對(duì)比分析了陣列輻射性能（邊帶電平和有效功率效率）。
　　3.可重構(gòu)時(shí)間調(diào)制共孔徑陣列天線:基于時(shí)間調(diào)制技術(shù)和方向回溯技術(shù)，提出了兩種可重構(gòu)時(shí)間調(diào)制共孔徑陣列天線，即時(shí)間調(diào)制的方向回溯和自調(diào)零共孔徑陣列(Time-Mod

5、ulated Retrodirective and Self-Null-Steering Array,TM-RDNA)天線和時(shí)間調(diào)制方向回溯三功能可重構(gòu)共孔徑陣列(Time-Modulated/Retrodirective/Time-Modulated Retrodirective Array,TM-RDA)天線，并給出了各自的工作原理。與傳統(tǒng)RDNA天線系統(tǒng)相比，TM-RDNA簡(jiǎn)化了天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低了天線系統(tǒng)的成本及復(fù)雜度且節(jié)約了

6、空間資源。TM-RDA實(shí)現(xiàn)了天線系統(tǒng)的多功能化且功能之間的可重構(gòu)是通過控制單刀三擲開關(guān)的工作時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的，具有重構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。為驗(yàn)證所提方案的可行性和合理性，采用印刷偶極子單元，分別設(shè)計(jì)和加工了一個(gè)四單元TM-RDNA和一個(gè)四單元TM-RDA，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并給出了各自的測(cè)試結(jié)果以及用于對(duì)比的仿真結(jié)果。
　　4.遠(yuǎn)程聚焦時(shí)間調(diào)制頻率分集陣列天線:為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單目標(biāo)空時(shí)四維（方位角θ、俯仰角φ、距離r和時(shí)間t）聚焦，提

7、出了基于時(shí)間調(diào)制頻偏的頻率分集陣列天線，并給出了兩種時(shí)間調(diào)制非線性頻偏方案—時(shí)間調(diào)制對(duì)數(shù)頻偏(Time-Modulated Logarithmic Frequency Offset，TMLFO)和時(shí)間調(diào)制優(yōu)化頻偏(Time-Modulated Optimized Frequency Offset，TMOFO)，前者是解析求解，后者是基于方向圖優(yōu)化綜合求解。通過對(duì)比和分析這兩種方案在理想頻偏和非理想頻偏下空時(shí)四維聚焦的性能，證明了基于TM

8、OFO的頻率分集陣列天線具有更好和更加穩(wěn)健的空時(shí)四維聚焦性能。此外，鑒于TMOFO的頻率分集陣列天線在遠(yuǎn)程單目標(biāo)聚焦中的應(yīng)用，提出了基于角無關(guān)TMOFO的時(shí)間調(diào)制頻率分集陣列天線，并應(yīng)用于遠(yuǎn)程多目標(biāo)聚焦。該陣列天線通過采用角無關(guān)TMOFO（即僅與目標(biāo)距離相關(guān)而與目標(biāo)角度不相關(guān)）與TMA多邊帶輻射相結(jié)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程多目標(biāo)在距離相同情況下的空時(shí)四維聚焦。
　　5.近程聚焦時(shí)間調(diào)制頻率分集陣列天線:針對(duì)TMOFO方案應(yīng)用于近程單目

9、標(biāo)聚焦時(shí)由于大頻偏引起的時(shí)變相位誤差而無法實(shí)現(xiàn)精確空時(shí)四維聚焦的缺陷，提出了補(bǔ)償式TMOFO方案，即基于補(bǔ)償式TMOFO的頻率分集陣列天線。補(bǔ)償式TMOFO通過修正陣元的頻偏補(bǔ)償了時(shí)變二次相位因子的作用，從而實(shí)現(xiàn)了近程單目標(biāo)的空時(shí)四維聚焦。為驗(yàn)證所提方案的有效性和合理性，分別給出了采用補(bǔ)償式TMOFO和TMOFO實(shí)現(xiàn)近程單目標(biāo)聚焦的結(jié)果，并對(duì)比分析了這兩種方案下的空時(shí)四維聚焦性能。此外，為實(shí)現(xiàn)近程多目標(biāo)聚焦，提出了基于時(shí)間窗補(bǔ)償式TMO