紧耦合天线阵超宽带宽角扫描及低剖面化技术研究

发布时间：2020-08-03 19:12

【摘要】：相控阵又名电扫描天线阵,具有波束扫描速度快、指向精准等优点,并且可以实现波束赋形、多波束扫描、抗干扰置零等功能。基于以上特点,相控阵天线在多目标追踪与探测、远距离点对点通信等应用中长期发挥着巨大的作用。近年来,随着电子信息技术的迅速发展和通信容量的爆炸式增长,相控阵天线的研究不再局限于波束扫描功能的开发,而更多地朝着超宽频覆盖的方向发展,以适应日益集成化的多功能电子系统的需求。不仅如此,为节约载体有限的空间和载荷、减小气动阻力和雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS),往往希望相控阵天线在实现超宽带性能的同时具有较低的剖面高度和较轻的重量。面对上述需求,一种基于紧耦合效应的超宽带相控阵技术应运而生。其超宽带原理为:(1)通过紧密排布阵元来实现口径面上近乎稳恒的连续电流分布;(2)提供阵元间电容耦合来抵消反射地板的等效电感;(3)加载介质覆盖层来辅助辐射口径与自由空间之间的阻抗变换。通常,紧耦合天线阵可实现至少4:1的阻抗带宽(Active VSWR3.0)和±45°的波束扫描范围,其剖面高度约为1/10低频波长。与传统的Vivaldi天线阵相比,紧耦合天线阵在同时实现超宽带和低剖面性能方面有着天然的优势。只是,作为一项较新的技术,紧耦合天线阵的研究与设计还存在着一些有待探索和改进的方向。本论文将从紧耦合相控阵技术的基本原理出发,以阵列的超宽带宽角扫描、低剖面化和轻量化为设计目标,对前人甚少涉足的紧耦合一维阵列以及介质覆盖层的有效替代方法等方面开展较为深入的研究。论文的主要研究成果概述如下:1.基于紧耦合效应的轻量化超宽带宽角扫描双极化线阵的研究过去紧耦合天线阵的研究主要集中于二维阵列,本论文针对机翼等狭长型应用载体,提出一种基于紧耦合效应的轻量化超宽带双极化线阵。不同于二维阵列,在一维环境下,双极化紧耦合阵列上的连续电流和单元间电容耦合会受到严重破坏,无法满足超宽带的实现条件。为解决该问题,本文提出了一系列补偿设计措施。经仿真验证,所提出的双极化线阵在激励垂直极化和水平极化时,可分别实现5:1(0.4~2 GHz)和4:1(0.5~2 GHz)的阻抗带宽(Active VSWR3.0),波束扫描范围均为±60°,阵面宽度则小于一个高频波长。由于在该工作频段内加载介质覆盖层会大大增加线阵重量,本文还提出两种轻量化设计方案,并最终选用重量更轻的频率选择表面加载来替代介质覆盖层。为对该设计进行验证,加工并测试了一款26单元的线阵样机,其实验与仿真结果具有良好的一致性。2.基于紧耦合开路折叠偶极子的超宽带宽角扫描阵列的研究紧耦合阵列中的介质覆盖层厚度通常约为1/4高频波长,不仅增加阵列的剖面高度,在应用于UHF等较低频段时还面临着重量过大的问题。对此,本文提出一种基于紧耦合开路折叠偶极子的超宽带超宽角扫描阵列天线形式,以实现对基于介质加载的传统宽带阻抗匹配技术的替代。该设计中,由开路折叠偶极子提供额外的电抗分量,与馈电结构集成后构成多级阻抗匹配网络,实现超宽带和超宽角扫描功能。不仅如此,该阵列的剖面高度度也可以有效降低。仿真结果表明,该阵列在7.33:1(0.3~2.2 GHz)的阻抗带宽内(Active VSWR3.0),可实现E面和D面内±70°的波束扫描,以及H面内±50°的波束扫描,其剖面高度仅为0.08倍的低频波长。为对该设计进行验证,加工并测试了一款8×8阵列样机,实验结果与阵列仿真结果十分吻合。3.开口环加载的低剖面超宽带紧耦合天线阵的研究为进一步降低紧耦合天线阵的剖面高度,本文提出一种具有宽带调谐作用的平面印刷开口环加载,以帮助紧耦合天线阵实现超宽带阻抗匹配。该阵列在7.2:1(0.3~2.15 GHz)的阻抗带宽内(Active VSWR3.0)可实现E面±70°、H面±45°和D面±65°的波束扫描,其剖面高度仅为0.067倍的低频波长,是目前已实现的不使用有耗加载的超宽带紧耦合天线阵中剖面高度最低的。该阵列同时具有极佳的交叉极化纯度,在D面扫描时的交叉极化比接近于理想值。为对该设计进行验证,加工并测试了一款8×8阵列样机,实验结果与阵列仿真结果具有良好的一致性。此外,还提出该设计的双极化实现形式。该双极化阵列同样可实现超宽带宽角扫描和超低剖面高度,且单元间距更大,有助于在实际应用时减少收发组件数目、节约成本。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN821.8
【图文】：

电子科技大学博士学位论文统[18,19]。目前许多军事研究的共同方向是将服单个或少量系统，以最小化载体平台的面积和减少成本。相应地，便需要用单个或少量超 为型号为 EL/M-2248 MF-STAR 的固态多功能踪空中和地面目标，并提供火控制导。和国防用途，超宽带相控阵亦可用于民事应用络和全球定位等应用系统使用波段不同，分散站和无线接入点将这些离散波段集成到单一

基于平面螺旋天线的双极化宽带相控阵[20]

使用去耦合网络的微带贴片线阵[25]

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本文编号：2780073