基于耦合振荡器阵列的非线性有源天线阵设计与实现

发布时间：2020-04-04 20:20

【摘要】：信息化条件下战争打赢的关键是夺取制信息权,作为信息战“眼耳”的雷达,迫切需要被大量装备到卫星、战机、气球(飞艇)、舰船、阵地上。然而传统无源相控阵天线雷达因为设备庞大,功率损失大、设备昂贵、可靠性和可维修性低等诸多缺点无法满足要求。新兴的有源相控阵天线比传统无源相控阵天线相比有很多优势,但在降低天线阵的体积、减小控制复杂度,提高效率、移相精度和可靠性上受限于移相器。为了克服移相器的限制,本文提出了一种基于耦合振荡器阵列(Coupled Oscillator Array简写为COA)的非线性有源天线阵(Nonlinear Active Antenna Array,简写为NLA3)技术,可以不用移相器实现天线阵波束扫描和波束形成,对于降低天线阵的体积、成本、损耗有明显成效。本论文的主要研究工作如下:(1)通过天线阵波束形成系统的原理和实现方法,详细分析了几种传统相控阵天线实现波束形成系统存在的缺点,提出了一种利用COA来设计一个高性能的接收和发射波束形成系统,从而实现NLA3的方法。并从NLA3的需求分析入手,制定了基于COA的NLA3设计方案。(2)根据注频锁相基本理论,研究了注频锁相振荡器的非线性动力学特征,得出了若干对研究注频锁相振荡器有用的结论,根据此结论提出了一种设计微波振荡器的方法,运用此方法制作了基于注频锁相振荡器的625MHz COA单元,利用COA单元测试系统对COA单元进行了测试,结果表明COA单元实现了稳定的注频锁相,符合设计需求。(3)深入研究了COA基本拓扑结构的信号带宽和相位噪声,分析了该结构存在的缺点,设计了一种一级耦合振荡器阵列4倍频的优化拓扑结构,根据优化结构设计了COA系统,利用混频器设计的相位差测试系统对COA系统进行了测试,结果表明COA相邻单元间相位差可在(-180°,180°)独立调节,达到了设计要求。(4)分析了NLA3波束形成基本理论,在此基础上研究了如何利用COA实现NLA3,并计算仿真了由50个COA组成的NLA3系统,结果验证了该方法的有效性。
【图文】：

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线阵的核心之一是波束形成系统，它可以控制天线阵的波束在空间射时控制天线阵的波束将最大方向指向目标，将零点位置指向友邻察接收系统，防止互相干扰或敌方截获；接收时控制天线的波束最波方向，将零点位置对准干扰方向，使接收信号的信噪比和信干比抗干扰和后继信号的处理。波束形成系统分为接收波束形成系统和系统，由于天线的互易性，其基本工作原理相同[39]，因此本节以系统为主研究天线阵的工作原理。于波束形成系统中的天线阵均为离散天线阵，天线阵的方向图要在内保持一致性，因此其阵元一般都是弱方向性的相似元，所以天线可以用阵方向性函数近似[40]，由个相同的全向发射单元组成的的发射方向图可表示为： (ψ ) = Wa(ψ )中 [ ]1 2 nW = w , w ,… , w，表示对各路发射信号的复加权系数，表示天线阵的方向矢量，，长，是相邻单元之间的间距，的意义如图 2-1 所示。Njkdj( N)k dT[1,e ,,e]sin ψ1sinψ = k =2π /λλd ψ

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图 2-2 无源相控阵天线原理图1）设备庞大，不利于小型化集成化。无源相控阵天线不但需分配网络，而且由于天线阵面上各单元都工作于高压状态，需2）功率分配网络及移相网络的功率损失非常大。3）由于实时性及波束形成算法复杂性的要求，无源相控阵天移相网络、功率分配网络以及与它们相对应的控制网络，而且束控制计算机，设备昂贵。4）无源相控阵天线阵面各单元都工作于高压状态，可靠性和可统有源相控阵天线源相控阵天线的组成原理如图 2-3 所示。T/R组T/R组T/R组
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820;TN752

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