星載有限電掃描天線陣列饋源的研究.pdf

1、為適應(yīng)衛(wèi)星通信發(fā)展的需求，衛(wèi)星通信系統(tǒng)要求星載天線不僅能夠生成高質(zhì)量的點(diǎn)波束，而且需要具有在其服務(wù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行快速靈活的波束掃描的能力。本文密切結(jié)合預(yù)研項(xiàng)目“星載多波束及可控點(diǎn)波束天線”，研究了星載天線陣列饋源的分析和設(shè)計(jì)。作者的主要工作和創(chuàng)造性成果可概括為以下幾個(gè)方面： 1．對(duì)饋源陣列的組成單元形式進(jìn)行了研究，根據(jù)工程設(shè)計(jì)提出的雙頻段工作、易于實(shí)現(xiàn)圓極化收發(fā)和天線方向圖圓對(duì)稱性較好等要求，分別設(shè)計(jì)了螺旋天線、阿基米德平面螺旋天線和

2、光壁圓錐喇叭天線。采用電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到在要求頻段內(nèi)各天線的電性能參數(shù)。設(shè)計(jì)了一種低副瓣軸向模螺旋天線，仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果說明在要求的頻帶范圍內(nèi)該天線駐波比小于1．15，天線方向圖的最大副瓣電平低于—25dB。提出了一種雙頻段工作的光壁圓錐喇叭天線的設(shè)計(jì)方法，該天線具有良好的雙頻段工作特性以及較高的增益，可滿足衛(wèi)星通信的需要。 2．對(duì)陣列饋源的綜合方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究了非線性最小二乘法和粒子群（PSO

3、）算法。闡述了解決非線性最小二乘問題常用的兩種方法：Gauss—Newton法和Levevberg—Marquardt法。通過對(duì)一個(gè)實(shí)際最小二乘問題的求解，研究了非線性最小二乘法的算法流程和主要優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)粒子群算法進(jìn)行了深入的研究，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化算法的一些缺陷，提出了一種改進(jìn)型粒子群算法。該算法有效地解決了粒子群早熟收斂和搜索精度不高的缺點(diǎn)，通過對(duì)檢驗(yàn)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并與其它改進(jìn)型粒子群算法進(jìn)行比較，說明本文提出的新型粒子群算法的優(yōu)

4、越性。 3．對(duì)陣列饋源的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。提出了多波束形成、波束隔離、波束掃描控制、收發(fā)雙工和雙頻雙圓極化的設(shè)計(jì)方法。在分析過程中，采用了電磁場(chǎng)輻射理論、微波網(wǎng)絡(luò)理論、波導(dǎo)模式理論、濾波器理論和工程最優(yōu)化理論，對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)的部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了雙頻雙圓極化器、正交模耦合器、窄帶濾波器等元件，仿真分析結(jié)果說明文中設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化收發(fā)，上下行信號(hào)之間的隔離度大于70dB。 4．研究了星載天線陣列饋源的

5、陣列綜合設(shè)計(jì)。分析了幾種陣列排陣形式，包括六邊形陣列、圓環(huán)陣列等陣列結(jié)構(gòu)形式。分析了陣列單元在陣列中的位置以及幅相分布對(duì)饋源陣列輻射方向圖的影響，以上述的各個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，采用粒子群算法對(duì)陣列進(jìn)行優(yōu)化綜合，在0°～360°方位角任意截面上都能得到理想的賦形方向圖包絡(luò)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明六邊形陣列饋源可以在雙頻段工作。對(duì)在所要求角域內(nèi)陣列饋源的波束掃描進(jìn)行了分析，列出了波束指向不同掃描角時(shí)的輻射方向圖以及陣列單元的控制相位。文中還設(shè)計(jì)了一個(gè)平

6、面二維天線陣列，陣列天線方向圖的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與優(yōu)化綜合得到的天線方向圖非常逼近。該章最后將饋源陣列與標(biāo)準(zhǔn)側(cè)饋雙反射面天線結(jié)合起來進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，通過仿真計(jì)算得到較好的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性。 5．研究了饋源陣列單元之間的互耦效應(yīng)對(duì)陣列輻射特性的影響?；ヱ钚?yīng)的存在使得每個(gè)陣元的方向圖與其在陣中的位置有關(guān)，波束形狀各不相同。文中借助仿真軟件對(duì)陣列天線進(jìn)行仿真綜合，得到單元之間的互阻抗矩陣，計(jì)算出陣列饋源單元的有源散射系數(shù)。當(dāng)優(yōu)化綜合得到天線