基于阵元方向图分集技术的天线阵综合以及锥状波束方向图综合的研究

发布时间：2020-05-09 05:12

【摘要】：天线的方向图为天线设计中最为重要的指标之一,而方向图的综合也是天线领域研究的热点问题。本文在前人的基础上,系统的给出了阵元方向图分集(Element-Level Pattern Diversity,ELPD)综合法。有别于传统的阵因子综合法,阵元方向图分集综合法可以为天线阵列提供一个新的自由度,从而为天线综合带来了新的机遇和挑战。其次,着重研究了在军事与通信中应用广泛的锥状波束天线的综合。本论文主要的工作及创新点可以概括如下:(1)系统给出了利用阵元方向图分集技术综合线天线阵的理论和方法:有别于阵因子综合法,阵元方向图分集综合法中,各个阵元的方向图是不相同的。因此,远场方向图由波程差和阵元方向图的远场叠加共同决定,从而引入了一个新的自由度。首先利用傅里叶变换法对阵元方向图分集阵列进行综合,并给出了其物理含义。实际应用中每个阵元的馈电幅度和相位由人工蜂群(ABC)算法给出。通过端射及边射的几个例子,对比了阵元方向图分集阵列与传统阵列的结果,并分析了两种阵列的敏感度,给出了阵元方向图分集综合法的优缺点。结果表明阵元方向图分集阵列适用于综合电流快速变化的阵列,如平顶波束和双波束等。使用阵元方向图分集综合法能在使用较少阵元数的情况下得到和阵因子综合法类似的结果,因此可以简化馈电网络的设计。同时,阵列的敏感度也降低了。(2)针对双波束增益及波束指向角灵活控制的需求,利用阵元方向图分集技术设计了一个双波束天线:利用SMA接头对SIW腔体馈电,并在腔体上开槽对长方形贴片进行馈电。长方形贴片的长度决定了其表面激励起的模式,不同的方向图由不同的模式实现。利用此理念设计并加工了一个3阵元阵列。测试结果显示天线在中心频率为5.8GHz的10dB阻抗带宽为11%,波束指向角为49°,最大增益为10.1dBi,从而验证了理论的有效性。(3)针对高增益且E面H面波束宽度等化天线的需求,利用阵元方向图分集技术设计了一种磁电偶极子阵列:阵列的E面方向图由不同模式的偶极子远场叠加得到的,而H面方向图则主要依靠阵因子来进行综合。因此,使得一维阵列能够实现传统二维阵列的效果。设计并加工了一个3阵元阵列以验证理论的正确性。测试结果表明,天线在中心频率为2.4GHz的10dB阻抗带宽为12.5%,在带宽内均能保持E面与H面方向图波束宽度一致。(4)针对指定倾角下高增益锥状波束天线的需求,提出一种基于同心圆环结构的阵元方向图分集阵列:同心圆环结构可以分为同心电流环与同心磁流环。通过仿真验证了同心电流环综合锥状波束的可行性。利用嵌套喇叭结构实现同心磁流环阵列。设计并加工了一个3阵元同心磁流环嵌套喇叭阵列。测试结果表示,阵列的波束指向角为18°,增益为10.9dBi,阻抗带宽为6%。(5)对阵元方向图分集综合与共形阵列,时间调制阵列结合做了初步的研究:仿真结果表明阵元方向图分集综合法可以适用于共形阵列与时间调制阵列,同时依旧具有节省阵元数等优点。(6)利用圆介质柱漏波天线实现了双锥状波束天线:通过调整介质加载的参数,可以使圆介质柱产生辐射。同时恰当的调整漏波周期,可以实现所需要的波束指向。设计并仿真了一个双锥状波束天线,两个波束指向角分别为117.5°与123.2°,仿真的增益为11.3dBi与11.18dBi。(7)针对高增益大角度平面结构的锥状波束天线的需求,提出了一个基于共面波导馈电的串馈阵列:共面波导结构可以在得到周向对称方向图的情况下保持平面结构。天线的副瓣由泰勒分布来控制。通过对天线阵元的相位进行补偿,可以精确的控制波束指向。在理论的基础上设计并加工测试了一个16阵元的天线。天线在中心频率为10.5GHz的15dB反射系数阻抗带宽为11.4%。在中心频率处的增益和副瓣电平为10.5dBi和-20dB。测试的波束指向角为77°。
【图文】：

图１．１新型阵列技术示意图：（ａ）频率分集阵列，（ｂ）时间调制阵列逡逑在传统阵列中，，阵元的形式、规格及排列取向均一致，因此其方向图也完全相同

基于阵元方向图分集技术的天线阵综合以及锥状波束方向图综合的研究

图１．２锥状波束方向图示意图逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

【相似文献】