基于Rotman透镜的多波束天线研究

发布时间：2020-10-13 12:48

　　 相控阵天线在多目标跟踪雷达、电子对抗、电子侦查等传统军事领域已经发展成熟并得到了广泛的应用,这类天线通常采用二维或者一维的T/R组件网络进行波束合成与控制,结构通常较为复杂,成本也相对高昂。近年来,多波束阵列天线在通信基站、卫星移动通信、汽车防撞雷达、毫米波被动成像、导弹制导、空间探测等应用领域得到了快速应用和发展,相比于相控阵的T/R组件,多波束形成网络具有平衡性能、复杂度和成本的优势,成为当前电扫天线领域的研究热点。在众多的多波束形成网络中,Rotman透镜是最常用的一种平面波束形成网络,具有超宽的工作频带、波束指向随频率不变性、可同时产生若干波束、设计简单易集成等突出优点。自1963年Rotman透镜被提出以来,经过了半个多世纪的发展,已被广泛应用于雷达、卫星、无线通信等军民领域。基于Rotman透镜已有的研究成果,本文进一步丰富、挖掘和扩展了Rotman透镜的功能和应用场景,特别是利用Rotman透镜实现了高集成度的低副瓣多波束、单脉冲多波束、柱面共形多波束等功能,同时还针对Rotman透镜的潜在的技术优势设计了可宽角扫描和双频双极化工作的阵列天线。文中所涉及的馈电网络和阵列天线主要采用印刷电路板技术加工而成,其导波结构是采用的是微带传输线和基片集成波导,这两种结构具有重量轻、体积小、加工精度高、一致性好、集成度高、成本低等一系列优点,特别是两者的合理搭配使用可克服彼此缺点、发挥各自优势、为馈电网络和阵列天线的优化设计提供性能互补。本文的主要研究内容如下:1.详细介绍了Rotman透镜传统的准光学分析方法,并基于此方法设计了一种微带—基片集成波导混合结构的Rotman透镜,此类型透镜可以更好地与基片集成波导缝隙天线集成,便于验证其多波束形成的性能。介绍了基片集成波导缝隙天线的设计理论和方法,作为本文主要的天线阵列形式,设计并加工了工作于X波段的天线阵列,并结合混合结构形式的Rotman透镜进行了测试。提出了基片集成波导缝隙天线与混合结构Rotman透镜的两种集成化解决方案:共基片单板结构和双层紧凑结构,并分析了其各自的利弊。2.提出了一种基于双层基片集成波导的有耗幅度加权和相位补偿网络,利用此网络设计了一种低副瓣多波束形成网络,结合基片集成波导缝隙阵列设计并加工了一款双层紧凑型低副瓣多波束天线,通过对比仿真与测量的结果分析了其波束形成的性能。3.将四象限和差比较器、Rotman透镜组和四子阵基片集成波导缝隙阵列结合,提出了一种单脉冲多波束天线的设计方案,此类型天线可以借助单脉冲技术提高在波束扫描方向上的角度测量和跟踪精度,通过实物测量验证了方案的可行性及天线的良好的波束性能。4.为适应圆柱面共形应用,在平面Rotman透镜的准光学分析方法的基础上重新推导了适用于柱面共形的设计方程,依照方程设计了柱面共形Rotman透镜,并分析了其可弯曲的程度,讨论了弯曲对幅相特性、工作带宽造成的影响。结合柱面共形基片集成波导缝隙天线,设计加工了一款双层紧凑型柱面共形多波束天线,并通过对比仿真和测量数据分析了其性能。5.为发挥Rotman透镜可形成大角度扫描波束的潜力,提出了将在线性区间工作的超表面用于波导缝隙阵列天线宽角阻抗匹配的方法,通过仿真对比阵列天线在无阻抗匹配层、加载金属隔离层、加载谐振区工作的超表面层和加载线性区工作的超表面层四种情形,验证了本文提出的线性区工作的超表面对改善波导缝隙阵列天线的宽角阻抗匹配的能力。6.针对移动卫星通信应用需求,设计了一种双频双极化微带阵列天线,通过仿真分析了其交叉极化、隔离度关键等性能,并提出了一种应用Rotman透镜来进行波束扫描大方案。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74;TN820
【部分图文】：

分类及发展断发展和应用需求的多样化，具备波束多目标跟踪雷达、电子对抗与侦察、移于波束扫描天线在每个领域的发展各有作为典型代表，介绍波束扫描天线的分类可分为两大类：机械扫描和电控扫描；廓；按照载体可以分为车载、机载、舰线、透镜天线和阵列天线等。扫描技术是通过旋转固定波束天线的基座描的效果。早期卫星通信、雷达、电子应用得最为广泛的机械扫描天线形式，制的船载卫星通信天线[4]。抛物面天线易于实现等优点，但由于此类天线重量动天线基座也容易发生故障，因此主要辆上，在现阶段一些场景中应用受到很

国防科技大学研究生院博士学位论文相位和一维机械转动混合控制，一般是通过相位方位面上通过机械转动进行波束扫描。全相控位面均采用相位控制方式进行波束扫描。在卫星线主要集中在一维有源相控阵天线阵列的研究图 1-2 所示，是 TTI 公司的一维相控阵天线产俯仰面实现 10-80 度电扫，信号收发采用两分离星通信。

致经过如图 1-5 所示的发展过程。采用二维机扫的反射面天线在早期的扫描天线中最为常见，卡塞格伦天线作为经典的双反射面天线，轮廓一般比较大；为了降低反射面天线的轮廓，从此类经典反射面天线中发展出了一类抛物柱面天线，其轮廓高度得到了极大降低；针对反射面天线存在馈源遮挡的问题，发展出了将馈源置于口径面后方的透镜天线，有效解决了馈源遮挡问题并改善了增益，同时还能通过对结构优化设计来降低透镜天线的轮廓；为了更进一步降低轮廓，出现了以平板阵列天线为主的二维机扫天线，这类天线通常由单个子阵或多个子阵组成。但为了提高扫描的速度，引入相控阵技术成了必然趋势，特别是一维机扫与一维电扫结合的混合相控阵天线成为移动卫星通信天线兼顾成本与性能的最佳折中方案。
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