相控陣天線寬角寬帶掃描方法研究.pdf

1、相控陣天線因其獨特的波束控制能力廣泛用于雷達、通信等領域。具備寬角寬帶掃描能力的相控陣天線更是確保相關系統(tǒng)高性能工作的關鍵技術，亦是相控陣天線領域的熱點和難點問題。陣列單元間的相互作用，即互耦，會改變單元上電流的幅度和相位分布，導致單元呈現(xiàn)出不同于孤立狀態(tài)下的阻抗和輻射特性，進而影響陣列掃描性能。因此互耦是造成寬角寬帶掃描成為設計難點的主要原因。本文從關鍵的互耦控制角度出發(fā)，對相控陣天線寬角寬帶掃描方法進行深入研究。
　　本研究主

2、要內容包括：⑴從補償互耦的角度出發(fā)，研究了基于重疊饋電結構的互耦補償網(wǎng)絡。通過分析其互耦補償機制，我們發(fā)現(xiàn)重疊饋電網(wǎng)絡引入了隨掃描角度變化的補償耦合信號。隨后采用電路模型和全波仿真相結合的研究方式，對重疊饋電網(wǎng)絡的具體設計過程進行了詳細說明。在研究中我們發(fā)現(xiàn)功分器輸出臂的相位調整作用是重疊饋電網(wǎng)絡實現(xiàn)大角度掃描時互耦補償?shù)年P鍵。最后設計、加工并且測試了采用重疊饋電網(wǎng)絡的16單元微帶天線線陣。得益于改善的寬角阻抗匹配，仿真和測試結果均顯示

3、該陣列在中心頻率掃描至±60°時增益下降小于3dB，實現(xiàn)了寬角掃描。⑵從補償互耦的角度出發(fā)，研究了基于連接耦合器的兩類互耦補償網(wǎng)絡。這兩類網(wǎng)絡都是通過有意引入一路間接耦合信號來抵消天線輻射口徑上的直接耦合信號，進而補償由直接耦合信號造成的陣列單元有源輸入阻抗隨掃描角的變化。耦合器用來控制間接耦合信號的幅度，傳輸線用來連接相鄰耦合器并進行相位調整。利用散射矩陣理論，詳細分析了這兩類網(wǎng)絡的工作原理，并給出了一般性的設計步驟。第一類互耦補償網(wǎng)

4、絡使用了匹配電阻，其損耗不容忽視。為此我們提出了不需要電阻加載的第二類互耦補償網(wǎng)絡，并在二單元微帶天線陣列上進行了仿真和實驗驗證。仿真和實驗結果表明，由于直接和間接耦合信號相互抵消，相鄰單元饋電端口的隔離度得到顯著提高。進一步我們對兩類互耦補償網(wǎng)絡的帶寬特性進行分析，并針對第一類網(wǎng)絡給出了提高互耦補償帶寬的解決方案。⑶研究了這兩類網(wǎng)絡在寬角寬帶掃描相控陣天線中的表現(xiàn)。我們首先將第二類互耦補償網(wǎng)絡拓展應用至16單元微帶天線線陣。通過對相鄰

5、單元間互耦信號的有效補償，實現(xiàn)了陣列單元的寬角阻抗匹配，避免了大角度掃描時因阻抗失配造成的增益下降。在0°~60°的掃描范圍內，仿真的-10dB的阻抗帶寬約為5.5％。測試結果表明陣列掃描至66°時，增益僅下降3.04dB。隨后我們對第一類互耦補償網(wǎng)絡進行了寬帶化和高效率的改進，并應用至16單元微帶疊層貼片天線線陣。在0°~60°的掃描范圍內，仿真的-10dB阻抗帶寬為13.2%。測試結果表明該線陣在低頻和高頻端掃描至60°時的增益相比

6、側射時分別下降了1.2dB和2.4dB，實現(xiàn)了寬帶寬角掃描。⑷提出了一類新型的寬帶天線，采用開放的金屬背腔，利用微帶饋線及其上方的寄生金屬帶線輻射能量，具有結構緊湊、饋電簡單的優(yōu)點。從利用互耦的角度出發(fā)，將該類天線單元相互連接從而構成一類基于連接背腔的新型陣列天線。H面相鄰單元相互連接，互耦被有意加強。無限大陣列單元的仿真結果顯示，在任意方位面掃描至±60°時，實現(xiàn)約43.4%（7.4GHz~11.5GHz）且 VSWR≤2的阻抗帶寬；

7、掃描至±70°時，實現(xiàn)近44%（7.45GHz~11.65GHz）且VSWR≤2.5的阻抗帶寬。2×18的有限大陣列的測試結果顯示，當陣列掃描至H面60°時，VSWR≤2.3的阻抗帶寬超過50%（7.2GHz~12.1GHz）；掃描至70°時，VSWR≤3.2的阻抗帶寬超過54%（7.2GHz~12.5GHz）。測試結果顯示 H面相鄰單元饋電端口的耦合系數(shù)在大部分工作頻率都高于-15dB，證明該陣列的寬帶寬角掃描性能是基于對互耦的有效利

8、用。⑸對該類型陣列進行了拓展應用研究。首先，針對一些實際應用中要求大單元間距的需求，研究了三角形柵格分布陣列。所提出的等邊三角形柵格陣列中的單元間距為14.5mm，相當于最高工作頻率12GHz的0.58個波長。設計過程中，針對在H面和E面掃描至大角度時出現(xiàn)的盲區(qū)現(xiàn)象進行了分析和抑制。無限大陣列單元的仿真結果顯示，在E面和H面掃描至±70°時，實現(xiàn)41.8%（7.85GHz~12GHz）且VSWR≤3的阻抗帶寬。隨后，針對雷達、通信系統(tǒng)中