相移表面阵列天线的理论设计与优化
发布时间：2019-11-14 00:19
【摘要】：相移表面(Phase Shifting Surface,PSS)阵列是一类由工作状态不同的贴片或者孔径单元,按照二维矩形栅格排列形成的准周期结构,它对入射的平面电磁波起到空间移相的作用。通过调节阵列单元的工作状态可以形成不同的相位延迟,实现需要的相位波前。根据入射电磁波经过PSS调相后的传播方向,这类阵列可以分成反射型PSS天线和透射型PSS天线,也称为反射阵和透射阵天线。PSS阵列天线结合了反射面天线和微带平面阵列天线的优点,表现为阵面剖面低、体积小、重量轻、成本低、易于折叠共形、波束控制自由度大等,已经发展成为无线通信、雷达和电子对抗等领域替代传统曲面口径天线和相控阵天线的新选择。本文以PSS阵列的设计为重点,结合不同优化算法,对阵列电性能的提升进行了深入的研究,论文的主要内容可以概括如下：1.改进交替投影算法(Alternative Projection Method,APM)的研究。传统APM在解决PSS阵列优化问题时,由于算法本身对初始点的选取十分敏感,需要使用接近优化目标的结果作为迭代初始点,否则极易陷入局部值。为了解决这一问题,在算法迭代的过程中引入基于渐变目标方向图的分步式收敛策略,将整个优化的收敛压力分散到每一个子目标的优化过程中,优化结果受初始点的影响大大降低。进一步,结合数值计算软件MATLAB和商业电磁仿真软件HFSS实现了从单元散射参数仿真,阵列初始激励计算,阵列口径相位优化到天线自动化建模和仿真的链路式分析、计算和设计流程,大大提高了PSS阵列的优化设计效率。2.大口径圆极化赋形反射型PSS阵列的研究。基于圆极化旋转型相移单元具有带内不同频点散射系数一致性高,单元工作状态可以解析求解等优点,设计了一种单层双谐振点的开口圆环反射单元,获得了宽带的圆极化工作特性。基于改进的交替投影算法使用该旋转单元分别设计了三种宽带赋形波束反射阵天线,分别为平方余割波束阵列、中国大陆版图轮廓波束阵列和多目标聚焦波束阵列,并加工和测试了多目标聚焦波束的反射阵列,计算、仿真和测试结果吻合良好,验证了大口径PSS阵列优化设计方法的正确性。3.小口径透射型PSS阵列的研究。线极化变尺寸微带透射型PSS单元在通带内往往难以实现一个完整的移相周期,造成阵列口径上部分单元无法同时实现高透射率和足够的相移量。针对这一问题,引入粒子群优化(Partical Swarm Optimization, PSO)算法到透射阵列的设计中,在有限的移相范围内寻找出一组阵面相移分布,实现目标波束的同时降低了这类天线的后瓣辐射。其次,提出了一种多层的平行偶极子的旋转型透射PSS单元结构并将其用于圆极化透射阵列的设计中,实现了高增益的圆极化性能。最后,将PSO算法应用到圆极化PSS阵列的带宽优化中,分别分析阵面在中心和边带频率处的初始激励分布,并优化不同频点处的阵列方向图,使其增益在整个频带内满足带宽要求,从阵列的角度实现了PSS天线的宽带化设计。4.双面PSS阵列的研究。根据双面反射型PSS阵列从偏馈卡塞格伦天线演进的事实,在研究卡塞格伦天线工作原理的基础上,分析了副面反射阵和主面反射阵口径上切向入射场和散射场的计算方法。在此基础上,设计了一种线极化工作的双面反射型PSS阵列,通过合理设计阵列的几何参数使得主副阵面上单元的相移区间小于一个周期,此举有利于降低单元的设计难度和阵列的空间相位误差。使用变尺寸的双环型反射单元,该双面反射阵实现了宽带高增益的辐射特性。最后,引入极化栅结构代替地板,提出了一种新型的双面PSS阵列概念。设计了一种三层结构的双模PSS阵列,通过改变馈源的极化方式,能实现平行于栅格极化方向来波的同侧反射波束、垂直栅格极化方向来波的异侧透射波束和圆极化入射场下的阵列双侧覆盖,提高了PSS阵列的集成性和功能性。
【图文】：
ＰＳＳ阵列天线也由馈源和阵面组成，不同的是其阵面是平面印刷微带相移表逡逑面结构。根据天线和馈源的相对福射方向，它包含了反射阵天线（Ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙ）和透逡逑射阵天线（Ｔｒａｎｓｍｉｔａｒｒａｙ）两种形式ＩＷ＂，，如图１．１所示。馈源发出的电磁波经过ＰＳＳ逡逑单元的调相后，产生不同的空间相位迟滞，使得反射场或透射场产生相应的相位波逡逑前，从而实现所需的福射波束。与传统面天线和微带相控阵天线相比，ＰＳＳ阵列天逡逑线具有Ｗ下优势：①基于微带结构的ＰＳＳ剖面化，体积小，重量轻，易于折叠展开逡逑２逡逑
逡逑热口的相移单元。图１．２给出了基于上述Ｈ种相移方式的ＰＳＳ阵列结构示意图。逡逑■逦■！田ｐｐｐｊｉｊｌ邋｜？乐々杉00逡逑－■■■■■■逦d是俑贰鲥澹浚縠
本文编号：2560550
【图文】：
ＰＳＳ阵列天线也由馈源和阵面组成，不同的是其阵面是平面印刷微带相移表逡逑面结构。根据天线和馈源的相对福射方向，它包含了反射阵天线（Ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙ）和透逡逑射阵天线（Ｔｒａｎｓｍｉｔａｒｒａｙ）两种形式ＩＷ＂，，如图１．１所示。馈源发出的电磁波经过ＰＳＳ逡逑单元的调相后，产生不同的空间相位迟滞，使得反射场或透射场产生相应的相位波逡逑前，从而实现所需的福射波束。与传统面天线和微带相控阵天线相比，ＰＳＳ阵列天逡逑线具有Ｗ下优势：①基于微带结构的ＰＳＳ剖面化，体积小，重量轻，易于折叠展开逡逑２逡逑
逡逑热口的相移单元。图１．２给出了基于上述Ｈ种相移方式的ＰＳＳ阵列结构示意图。逡逑■逦■！田ｐｐｐｊｉｊｌ邋｜？乐々杉00逡逑－■■■■■■逦d是俑贰鲥澹浚縠
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