复杂载体共形天线阵的分析与综合

发布时间：2018-05-01 03:06

  本文选题：复杂载体 + 共形天线　； 参考：《电子科技大学》2014年博士论文

【摘要】：作为现代天线技术的一个研究热点,共形天线在军事和民用领域都有着广泛的应用前景。对于各种先进的飞行器如飞机、导弹等,为了和载体兼容且不影响其空气动力学性能,同时又具有良好的电性能如宽角覆盖、低的雷达散射截面(RCS)等,需要天线与载体共形;而在日常生活中,为了保持建筑物的美观,也提出了美化天线的概念,即要求天线与建筑物共形。通常载体性能各异,载体对于天线性能的影响也是不尽相同的,因此开展基于复杂载体的共形天线性能分析及设计是很有必要的。本文通过理论分析、数值仿真和实验验证三位一体的方法对复杂载体上的共形天线开展了研究。围绕新型天线单元设计、共形天线的分析方法和综合方法,系统而深入地研究了以下几方面的内容:1.基于电磁流混合场积分方程方法的电磁辐射问题分析针对复杂载体(特别是具有介质特性或金属-介质复合特性的载体)上的共形天线,采用了电磁流混合场积分方程(JMCFIE)方法对其进行分析。由于JMCFIE方法是基于等效原理的表面积分方程,因此减少了剖分的未知量,降低了计算的复杂度,可以用来进行电大问题地分析。首先基于JMCFIE方法分别分析了平面天线单元和共形天线单元的辐射特性;然后将JMCFIE方法和多层快速多极子(MLFMA)结合分析了金属-介质复合载体上共形天线的辐射特性。JMCFIE方法计算所得的结果和商业仿真软件CST计算的结果吻合良好,说明了JMCFIE方法可以很好地应用于复杂载体上共形天线的分析。2.天线单元小型化设计针对现代飞行器对于天线小型化设计的要求,通过将小型化的贴片耦合器集成于环天线内部,设计了一个小型化、圆极化的环形天线,整个天线尺寸为λ0/2×λ0/2,但其电性能可以和传统的微带天线相比拟,并使用等效电路模型对所设计的天线进行了分析;为了进一步减小天线尺寸,使用了环形反射器和引向器的结构,在保证了天线辐射性能的条件下,可以将所设计的天线尺寸进一步缩减到λ0/4×λ0/4。3.共口径天线单元设计将不同功能和频段的天线集成在同一个口径下,意味着将会大大缩减天线所需的口径个数,从而减少天线所占用的空间,使整个系统更加紧凑。本文根据不同的频率比,基于小型化的环形天线单元结构,设计了两款双频共口径天线和一款三频共口径天线。4.基于杂草入侵优化算法的天线优化设计及阵列综合将杂草入侵优化算法(IWO)和商业仿真软件HFSS结合来进行天线的优化设计,全波计算是在HFSS中完成的,而优化过程则通过IWO来实现,使用这样一个方式优化的天线可以直接应用于实际工程中;然后基于有源方向图叠加原理(AEP)和阵因子理论(AF)相结合的方法对大型天线阵列的远场辐射方向图进行了计算,在保证了一定的精度的条件下,极大地提高了计算效率,并降低了对计算机内存的要求;最后将IWO算法和AEP相结合,对平面圆环阵列进行了综合,其结果和全波仿真软件HFSS吻合良好。5.复杂载体上共形天线及阵列的设计结合不同的载体结构,开展了共形天线及阵列的设计。针对圆锥载体,使用IWO结合AEP的方法,对所设计的共形阵列进行了优化,验证了IWO结合AEP的综合方法在共形阵列综合应用中的适用性;然后利用天线单元小型化的技术,实现了共形阵列的宽角波束扫描性能,并利用IWO结合AEP的方法对其进行了优化设计,测试结果表明通过这种方式可以有效地增大阵列的扫描角。针对圆柱载体及天线安装空间要求,利用天线单元小型化技术及串并馈结合的方式,设计了一款便于共形和安装的水平面全向圆极化波束覆盖天线。针对无人机载体,设计了低剖面的共形垂直极化天线单元,利用EFIE-JMCFIE结合MLFMA分析了两种不同特性的无人机载体对于天线性能的影响并进行了实验验证,测试结果和JMCFIE分析方法得到的结果吻合良好;同时针对无人机载体也设计了一个工作在X/K频段的共口径阵列,并利用AEP结合IWO对该阵列进行了优化,测试结果表明阵列扫描到了相应的波束指向。
[Abstract]:This paper analyzes the radiation characteristics of the planar antenna element and the common antenna by combining the JMCFIE method and the multi - layer fast multipole method . The paper designs a conformal array with low profile by combining the IWO with the method of combining the EFIE - JMCFIE and the method of serial - parallel feed combining . The results show that the method can effectively increase the scanning angle of the array .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN820.15
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本文编号：1827443