空時四維天線陣及強互耦寬帶相控陣理論與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、陣列天線是無線電子系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其特性影響整個系統(tǒng)的性能。現(xiàn)代無線電系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境也愈形復(fù)雜，凡此種種對天線輻射口徑與輻射性能提出苛刻要求。而現(xiàn)有天線理論與技術(shù)都是通過幅相控制，僅在空間上對輻射能量進行調(diào)配，難以解決某些復(fù)雜的陣列輻射問題。另一方面，未來作戰(zhàn)平臺無線電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下實現(xiàn)偵察、干擾、探測、通信一體化。這要求天線也越來越趨于多種功能的高度集成化，研究超寬工作頻帶覆蓋的相控陣天

2、線勢在必行。而傳統(tǒng)相控陣天線受限于單元間互耦效應(yīng)，難以進一步拓展阻抗帶寬。因此，必須從天線輻射的物理本質(zhì)出發(fā)，尋求陣列輻射控制新機理與波束形成新技術(shù)。為因應(yīng)上述傳統(tǒng)陣列天線的挑戰(zhàn)與需求，本文從時域 Maxwell方程中的空時四維場源關(guān)系與傳統(tǒng)被視為天線設(shè)計阻礙的互耦效應(yīng)兩個角度出發(fā)，開展兩種基于新機理的陣列天線技術(shù)—四維天線陣與強互耦寬帶相控陣—的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。重點研究了四維天線陣的復(fù)雜賦形波束高效形成及其在雷達中的應(yīng)用基礎(chǔ)，

3、以及利用陣元間強互耦效應(yīng)拓展相控陣阻抗帶寬等幾個方面。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對大型面陣的高效波束形成應(yīng)用，提出基于四維天線陣的復(fù)雜賦形波束高效綜合方法。該方法聯(lián)合了Woodward-Lawson法與差分進化算法，同時具備解析方法與優(yōu)化方法的優(yōu)點。研究了直角坐標系下三維方向圖的幾種呈現(xiàn)方式，提出可繪出極坐標三維圖形效果的直角坐標圖之方法。利用遺傳算法優(yōu)化饋電相位，改善數(shù)字移相器量化饋相引起的副瓣惡化。數(shù)值結(jié)果顯示四維天線陣在

4、極低的動態(tài)范圍比情況下，可以綜合出具有低副瓣低波紋抖動度的復(fù)雜形狀方向圖。⑵探討四維天線陣在MIMO系統(tǒng)中的適用條件，推導(dǎo)出調(diào)制時序之限定形式。提出一種基于子陣化四維天線陣的MIMO雷達—STM-MIMO雷達。將雷達的發(fā)射天線劃分為若干重疊的子陣，每個子陣受高速射頻開關(guān)調(diào)控并發(fā)射相互正交的波形，接收端使用常規(guī)均勻線陣接收目標回波信號。然后分析STM-MIMO雷達的非自適應(yīng)波束形成與自適應(yīng)波束形成，并與MIMO雷達和相控陣雷達進行比較研究

5、。與波束形成密切相關(guān)的參數(shù)如時序，干擾源數(shù)目，噪聲，子陣數(shù)目等均被考慮并分析其影響。數(shù)值算例的結(jié)果顯示，STM-MIMO雷達在波束形成、輸出信干噪比等方面具有出色的性能。⑶基于一種單向相位中心運動時序，發(fā)現(xiàn)工作于此種時序的四維天線陣在進行發(fā)射/接收時，通過提取信號載波產(chǎn)生的多普勒頻率即可測定目標之方位角。提出了基于四維天線陣的新型雷達測向系統(tǒng)架構(gòu)，并詳述其工作原理，給出初步仿真模擬結(jié)果。最后加工八單元印刷偶極子四維天線陣，搭建實驗平臺，

6、展開四維天線陣測向技術(shù)的實驗研究。測試結(jié)果證實了這種測向新方法的有效性。通過對比，展示該方法相對于傳統(tǒng)測向技術(shù)具有若干優(yōu)勢。⑷根據(jù)單元間互耦效應(yīng)與阻抗帶寬之間的關(guān)系，設(shè)計出一款寬帶相控陣印刷偶極子單元。進一步，提出一種高低頻段天線共孔徑方案，在E面組成等間距線陣(低頻天線八單元，高頻天線二十四單元)，在一副口徑上實現(xiàn)了更寬頻帶的超寬帶阻抗帶寬范圍與寬掃描角范圍。針對共孔徑天線掃描時高頻段出現(xiàn)的柵瓣現(xiàn)象，從天線輻射機理探究其成因，然后在高