填充非对称倒梯形单脊波导缝隙阵的设计与优化

发布时间：2020-06-15 01:07

【摘要】：与对称单脊波导缝隙阵相比,非对称单脊波导缝隙阵体积小、无寄生副瓣、可宽角扫描、易实现低副瓣电平,因此被广泛应用于机载、舰载相控阵雷达天线系统。矩形单脊波导的横截面尺寸大、工作带宽窄且衰减严重,已无法满足现代无线通讯的要求,而且非对称单脊波导缝隙阵的设计方法多为Elliott的三组设计方程,该方法只适用于矩形非对称单脊波导缝隙阵,但无法求解复杂截面的脊波导缝隙阵。基于以上问题,研究复杂截面非对称单脊波导的传输特性,并寻找一种适合于复杂截面非对称单脊波导缝隙阵的设计优化方法,可有效提高现代无线通讯质量。本文基于介质填充非对称倒梯形单脊波,利用有限元法结合MATLAB编程,研究填充介质的位置和宽度对填充非对称倒梯形单脊波导的归一化截止波长、单模带宽、归一化衰减常数、功率容量和阻抗特性的影响。在此基础之上,选择传输特性最好的结构作为缝隙阵的馈电波导。根据设计指标,确定填充非对称倒梯形单脊波导缝隙阵的整体结构,计算出各缝隙的激励幅度分布和电导分布。根据等效传输线理论,在高频电磁仿真软件HFSS中建立10元缝隙阵模型,提取缝隙电导和物理参数。仿真分析16元填充非对称倒梯形单脊波导缝隙阵可以发现,该缝隙阵满足高增益、低副瓣和窄波束的要求,具有良好的辐射特性。与相关文献对比可知,利用介质填充非对称倒梯形单脊波导作为天线的馈电波导,可进一步实现天线的小型化。由于实际加工中存在的误差,缝隙阵方向图副瓣和增益应保留一定的余量。初始设计阵列的口径分布与理想天线的口径分布具有一定的差异,在分析误差产生原因的基础上,构造“近场幅相分布逼近”为目标函数,采用遗传算法对各缝隙的谐振参数进行优化。在MATLAB中编写遗传算法的主程序和HFSS建模仿真的脚本程序,通过脚本接口返回近场幅值和相位分布,计算出适应度值,实现数据间的传递。优化结果表明天线的性能得到了显著提升。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.2
【图文】：

波导结构,电磁波,脊波导,同轴线

兰州交通大学硕士学位论文2 波导缝隙天线的基本理论导行电磁波（也称电磁波）可以在某种特定结构的内部或周围传播。波导是一种引导电磁波传输的结构，一般为空心的金属管，用波导传输电磁波可以防止电磁波由空间扩散。常见的波导结构有：金属波导、同轴线、微带传输线及无限长平行双等[56-58]。如图 2.1 所示为常见的几种波导结构。(a) 矩形波导和矩形脊波导 (b) 圆形脊波导 (c) 同轴线

传输特性,主程序,偏微分方程

编程计算其传输特性。计算脊波导五种传输特性的程序如图2.5 所示。PDE 工具箱，是基于 MATLAB 的求解二维偏微分方程问题的一个强大而又灵活的工作环境[61]。常被用于求解静电场、静磁场、交流电磁场、结构力学和热传导等领域的问题，可求解的方程类型主要包括特征值方程、抛物线方程、双曲方程和椭圆方程等。其功能包括[62]：(1) 建立偏微分方程问题的几何模型；(2) 设置边界条件，构造方程，确定 PDE 定解问题；(3) 采用 FEM 对 PDE 问题进行求解；(4) 剖分求解域，求出数值解；(5) 数值解的可视化。

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