相控陣天線相位中心及衛(wèi)星通信圓極化天線研究.pdf

1、隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展,相控陣天線已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于軍用和民用的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。相控陣天線可以通過改變相鄰陣元的相位差實(shí)現(xiàn)輻射方向圖的波束控制。目前,大多數(shù)研究僅關(guān)心相控陣天線的幅度方向圖特性,如增益、波瓣寬度、副瓣電平等。隨著應(yīng)用的深入和拓展,在一些領(lǐng)域?qū)ο嗫仃囂炀€的技術(shù)指標(biāo)提出了新的要求,如輻射場相位方向圖特性以及陣列的相位中心特性。
　　 另外,在衛(wèi)星通信和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域,圓極化天線因其可抑制雨霧的去極化效應(yīng)和

2、抗多徑反射效應(yīng)而被廣泛應(yīng)用。近年來,隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展,對(duì)圓極化天線又提出了新的要求,如寬波束、寬頻帶、高增益、小型化等。
　　 在上述背景下,本文緊密結(jié)合課題需求,對(duì)相控陣天線的相位中心技術(shù)以及衛(wèi)星通信圓極化天線技術(shù)進(jìn)行了深入研究,主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 1.建立了陣列天線相位方向函數(shù)與相位中心偏移量的關(guān)系。以陣列天線的遠(yuǎn)場表答式為基礎(chǔ),采用相位中心偏移量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?建立了相位方向函數(shù)的變化關(guān)系,最后推

3、導(dǎo)出上述關(guān)系式。此關(guān)系式表明相控陣天線可以看作一個(gè)整體來分析,但當(dāng)相控陣參數(shù)變化時(shí),相位方向函數(shù)會(huì)改變,進(jìn)而影響相位中心的偏移量。
　　 2.給出了相控陣天線二維、三維視在相心的求解方法。結(jié)合相控陣天線視在相心的定義,應(yīng)用最小二乘法推導(dǎo)出了視在相心偏移量的表達(dá)式,據(jù)此編寫了計(jì)算仿真軟件,用于仿真計(jì)算相控陣天線不同工作模式和狀態(tài)下的相位中心。
　　 3.研究了相控陣天線在不同工作模式和狀態(tài)下的相位中心。這些模式和狀態(tài)包括:

4、波束掃描、收發(fā)狀態(tài)、存在幅相誤差、存在移相器量化誤差、頻率變化、陣元影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明相控陣參數(shù)變化會(huì)造成相位中心的偏移,尤其幅相誤差和移相器量化誤差都會(huì)造成相位中心在z向較大偏移,且誤差量越大,造成偏移量越大。
　　 4.分析了測量誤差對(duì)相位中心校準(zhǔn)精度的影響。建立數(shù)學(xué)模型分析了相位中心橫向與縱向的校準(zhǔn)精度差別,以及主瓣寬度對(duì)校準(zhǔn)精度的影響。最后證明,在測量精度有限且存在測量誤差的情況下,相位中心很難唯一確定,若要提高校準(zhǔn)精度

5、,必須提高測量精度。
　　 5.研究了一種寬波束自相移十字振子天線。天線采用自相移結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓極化工作,應(yīng)用反射底板和下傾振子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寬波束工作。理論上主極化波束寬度可以達(dá)到150°以上,3dB軸比帶寬可達(dá)8.47％。該天線可用于衛(wèi)星導(dǎo)航移動(dòng)終端。
　　 6.設(shè)計(jì)了一種UHF頻段的衛(wèi)星通信寬帶圓極化八木天線。天線采用3dB分支線定向耦合器對(duì)兩副正交的八木天線進(jìn)行饋電,對(duì)3dB分支線定向耦合器進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì),并對(duì)天線與饋

6、電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)。天線的3dB軸比帶寬達(dá)到24.3％,增益高于6dBic的帶寬17％。天線樣機(jī)的性能可以滿足工程需要,目前天線已用于系統(tǒng)聯(lián)試。
　　 7.提出了一種圓極化孔環(huán)微帶天線。天線采用饋電網(wǎng)絡(luò)與孔環(huán)一體化設(shè)計(jì),在不改變天線外形尺寸的前提下實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)兩點(diǎn)饋電,饋電網(wǎng)絡(luò)采用阿基米德螺旋線形式被設(shè)計(jì)在孔環(huán)內(nèi)部。首次對(duì)該類天線的軸比特性進(jìn)行了研究,得出寄生輻射片參數(shù)對(duì)軸比特性的影響規(guī)律。測試結(jié)果驗(yàn)證了天線的設(shè)計(jì)方法,3d

7、B軸比帶寬達(dá)到6％。這種將饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在天線內(nèi)部的方法也可應(yīng)用在其他圓極化孔環(huán)天線的設(shè)計(jì)中。
　　 8.研究了窄帶圓極化TM21模孔環(huán)微帶天線的兩種實(shí)現(xiàn)方法。包括阻抗匹配,圓極化的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)了兩種工作在L頻段的窄帶圓極化TM21?？篆h(huán)微帶天線,分別采用一體化網(wǎng)絡(luò)兩點(diǎn)饋電結(jié)構(gòu)和微擾法實(shí)現(xiàn)圓極化。兩種天線均可在低仰角方向?qū)崿F(xiàn)良好的輻射特性,可用于區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航或全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)終端設(shè)備。另外,提出了寬帶圓極化TM21?？篆h(huán)微帶天