平面微帶相控陣天線大角度低旁瓣掃描問題研究.pdf

1、相控陣天線由于具有快速掃描的特點(diǎn)，使其在雷達(dá)探測(cè)以及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有不可替代的作用。針對(duì)平面相控陣天線，為了使其波束掃描范圍更大，應(yīng)用范圍更廣，近年來研究學(xué)者們把重點(diǎn)放在了對(duì)相控陣天線掃描角度的擴(kuò)展和波束質(zhì)量的優(yōu)化上。本學(xué)位論文是以平面微帶相控陣天線為研究載體，對(duì)相控陣天線的大角度掃描及低旁瓣優(yōu)化問題進(jìn)行研究和探討，主要內(nèi)容如下：
　　第一部分主要對(duì)不同形式的寬波束相控陣單元天線的工作特點(diǎn)和原理進(jìn)行研究和分析。首先，在平面微帶天

2、線結(jié)構(gòu)中，運(yùn)用縫隙等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生等效磁流。分析磁流和電流在無限大金屬地板環(huán)境下的不同輻射狀態(tài)。根據(jù)金屬表面的邊界條件和鏡像原理分析得出平面磁流對(duì)于微帶天線寬波束和低仰角輻射的產(chǎn)生具有重要作用，并據(jù)此設(shè)計(jì)具有寬波束或低仰角輻射特性的微帶平面天線。其次，分析了基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縫隙天線。通過理論及仿真介紹基片集成波導(dǎo)上縫隙的排布方式以及工作原理，分析縫隙對(duì)天線輻射的影響，最終獲得寬波束輻射特性。最后，在微帶天線上將磁流和電流相結(jié)合，得到一種產(chǎn)生

3、寬波束圓極化輻射方向圖的電磁偶極子天線。分析了電流和磁流同時(shí)產(chǎn)生的方法，以及二者之間幅度和相位的調(diào)節(jié)，水平極化電場(chǎng)和垂直極化電場(chǎng)在保持幅度相同的情況下實(shí)現(xiàn)90°相位差地結(jié)合，形成圓極化輻射波束。將這三種基本的原理引入到微帶天線中，設(shè)計(jì)了四種不同形式的寬波束或低仰角高增益波束覆蓋的單元天線，為后面的相控陣天線大角度掃描研究打下了基礎(chǔ)。
　　第二部分主要對(duì)平面微帶相控陣天線的大角度掃描問題進(jìn)行了研究，對(duì)不同天線單元以及不同相控陣結(jié)構(gòu)的

4、特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。首先，介紹了以微帶磁偶極子單元天線和微帶磁偶極子八木子陣所構(gòu)建的兩種相控陣天線的陣列排布方式及工作原理。陣列中重點(diǎn)研究了耦合貼片結(jié)構(gòu)在陣列有源單元間耦合能量傳遞方面所起到的作用。在耦合作用的幫助下陣列的有源單元方向圖相比自由環(huán)境中得到了擴(kuò)展，使得陣列的掃描角度大幅度提高。其次，以基片集成波導(dǎo)縫隙天線為單元構(gòu)建相控陣天線。陣列中金屬通孔所構(gòu)成的等效電壁保證了單元天線電場(chǎng)模式穩(wěn)定，有源單元保持17％以上的相對(duì)帶寬。相控

5、陣在工作頻帶內(nèi)保持大角度的掃描范圍。然后，以電磁偶極子天線為單元構(gòu)建相控陣天線，分析陣列結(jié)構(gòu)對(duì)有源單元輻射方向圖的極化和波束寬度等參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)了大角度的圓極化掃描。最后，在平面微帶正方形貼片天線上同時(shí)激勵(lì)TM010模式和零階諧振（ZOR）模式，利用二者在方向圖上互補(bǔ)的特點(diǎn)形成寬波束覆蓋的輻射方向圖，由其構(gòu)建的6×6的平面相控陣天線實(shí)現(xiàn)了二維空間上的雙極化大角度掃描。
　　第三部分主要以微帶磁偶極子相控陣為載體，研究大角度范圍內(nèi)

6、的掃描波束低旁瓣優(yōu)化問題。首先，采用遺傳算法對(duì)陣因子進(jìn)行優(yōu)化，利用CST計(jì)算得出的有源單元方向圖作為陣因子中的單元，從而計(jì)及耦合所帶來的影響。實(shí)驗(yàn)表明該方法可以有效降低大角度掃描范圍內(nèi)掃描波束的旁瓣大小。然后，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的方法代替陣因子對(duì)相控陣的掃描波束進(jìn)行模擬計(jì)算。通過反饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)陣列進(jìn)行模擬，其計(jì)算結(jié)果避免了耦合匹配等不確定因素的干擾，更加準(zhǔn)確。對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。最后，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和測(cè)試都證實(shí)