等离子鞘套对相控阵天线波束指向的影响研究

发布时间：2020-11-21 04:54

　　 空间飞行器以超高声速返回大气层时,产生一层包裹着飞行器的等离子鞘套。等离子鞘套是一种有耗色散介质,分布在相控阵天线近场区,与天线辐射的电磁波相互作用,影响相控阵天线的波束形成效果,造成波束指向偏差,导致飞行器天线波束无法精确对准天基测控卫星。原因有两个方面:一是,等离子鞘套对电磁波的衰减和相位延迟在不同方向上存在较大差异,改变远场区的场强分布,使得不同阵元辐射场的相干叠加不同于自由空间,改变阵列波束合成效果;二是,等离子鞘套对电磁波产生强烈的反射作用,增加阵元之间的相互耦合,增大波束合成指向角的偏差。针对此问题,本文开展工作主要包括:首先,研究了电磁波在非均匀等离子鞘套中的传播特性,分析了天线不同方向上辐射的电磁波穿透等离子鞘套后的幅度衰减和相位延迟特性。根据电磁波叠加定理,推导了等离子鞘套下相控阵天线阵因子计算公式,计算了不同等离子体参数情况下阵因子方向图,给出了不同等离子体电子密度、碰撞频率对阵因子波束指向的影响规律。其次,基于等离子鞘套对电磁波的反射特性,研究了等离子鞘套下相控阵天线阻抗特性和互耦特性。结果表明:在高电子密度,低碰撞频率情况下,等离子鞘套会使阵元自耦合和相邻阵元互耦增强。而对于斜对角阵元,等离子鞘套会使其互耦降低。然后推导了考虑互耦时等离子鞘套下相控阵天线方向图的计算方法,并对其进行正确性验证。最后,根据方向图乘积定理,考虑阵元互耦因素,建立了非均匀等离子鞘套覆盖下相控阵天线的电磁分析模型,计算了等离子鞘套覆盖下相控阵天线不同空域指向的辐射特性,根据方向图计算结果,获得了等离子鞘套参数与相控阵天线波束指向偏差角之间的关系。计算结果表明:随着等离子体电子密度的增加,相控阵天线方向图主瓣增益降低。当等离子体碰撞频率接近相控阵天线工作频率时,等离子鞘套对天线方向图恶化最为严重。等离子体电子密度越大,碰撞频率与相控阵天线工作频率越接近,等离子鞘套造成相控阵天线波束指向偏差越大。本文的研究成果可以为飞行器相控阵天线设计提供参考,为等离子鞘套覆盖下相控阵天线波束指向误差修正提供补偿数据。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V443.4;V419
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 等离子鞘套中电磁波传播特性
        1.2.2 等离子鞘套覆盖下飞行器天线特性研究
    1.3 本文主要内容
第二章 相控阵天线与等离子体中电波传播理论
    2.1 相控阵天线波束形成原理
        2.1.1 平面相控阵天线方向图
        2.1.2 平面阵的波束指向
        2.1.3 辐射单元方向性引起的波束指向误差
    2.2 等离子体基本特性
        2.2.1 等离子鞘套基本参数
        2.2.2 等离子鞘套参数分布
        2.2.3 等离子体媒质特性
    2.3 等离子鞘套中电磁波传播理论
        2.3.1 等离子鞘套中电磁波传播理论基础
        2.3.2 非均匀等离子鞘套中电波传播的计算方法
    2.4 本章小结
第三章 等离子鞘套覆盖下相控阵天线阵因子特性研究
    3.1 电磁波斜入射非均匀等离子鞘套的传播特性
        3.1.1 等离子鞘套内折射波的传播特性
        3.1.2 电磁波斜入射等离子鞘套的等效传输线计算方法
    3.2 等离子鞘套对电磁波场强幅度衰减和相位延迟
        3.2.1 幅度衰减特性
        3.2.2 相位延迟特性
    3.3 等离子鞘套下相控阵天线阵因子特性
        3.3.1 等离子鞘套下相控阵天线阵因子计算公式
        3.3.2 幅度衰减和相位延迟对相控阵天线波束合成影响
        3.3.3 等离子鞘套对相控阵天线阵因子的波束指向性影响规律
    3.4 本章小结
第四章 等离子鞘套覆盖下相控阵天线阻抗与互耦特性研究
    4.1 等离子鞘套下相控阵天线仿真建模
        4.1.1 微带贴片辐射单元设计
        4.1.2 等离子鞘套的分层模型
        4.1.3 等离子鞘套下相控阵天线电磁仿真模型
    4.2 等离子鞘套下相控阵天线阻抗特性
    4.3 等离子鞘套下相控阵天线互耦特性
        4.3.1 阵列天线单元间互耦的分析方法
        4.3.2 等离子鞘套参数对相控阵天线互耦影响分析
    4.4 本章小结
第五章 等离子鞘套覆盖下相控阵天线辐射特性研究
    5.1 等离子鞘套对相控阵天线辐射特性的理论分析
        5.1.1 考虑互耦时等离子鞘套下相控阵天线方向图计算方法
        5.1.2 算法验证
    5.2 等离子鞘套对相控阵天线方向图的影响
        5.2.1 不同等离子鞘套参数对相控阵天线方向图影响
        5.2.2 不同波束指向角情况下相控阵天线方向图
    5.3 等离子鞘套对相控阵天线波束指向性的影响
        5.3.1 等离子鞘套参数对相控阵天线主瓣增益的影响
        5.3.2 等离子鞘套影响下相控阵天线波束指向角误差
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
作者简介

【参考文献】

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本文编号：2892555