大型异构四维阵列天线高效分析与综合
发布时间：2021-01-18 05:52
阵列天线具有提升系统增益及灵活的波束控制能力,广泛应用于各种无线电子系统之中。现代无线电子系统发展日新月异,面临的电磁环境日趋复杂,系统对天线阵的性能提出了越来越苛刻的要求。特别是对于机载、舰载等平台上的阵列天线,为了能够实现低副瓣、高增益、全向探测视场和多功能一体化等应用需求,阵列天线需要朝着大型化方向发展,这对平台上阵列天线的设计提出了巨大的挑战。而传统阵列天线的拓扑结构几乎都是平面形式,且均通过幅相控制实现对辐射能量的调控。因而在载体平台有限的可布阵空间上直接安装大型平面阵列天线是不现实的。同时,基于传统的T/R组件构成的馈电网络不仅成本高昂、结构复杂,而且提供的设计自由度不足以解决一些复杂的阵列辐射问题。因此,必须从阵列天线辐射的物理本质出发,拓展其辐射口径、增加其设计自由度,探索新型阵列天线的可能形式。异构天线阵在阵列拓扑结构上,单元是依照载体平台的外形而定,在载体平台预留的可布阵空间进行三维布阵,能够形成尽可能大的有效辐射口径和全向探测视角。四维天线阵通过额外引入时间这一维自由度,能够提高阵列辐射控制能力、简化或者转移馈电网络的设计难度。因此,异构四维天线阵这一新型阵列天线...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：210 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
文献[46]中报道的基于半球形平台和柱面-半球混合平台的共形天线阵实物图[46]
与此同时,Harrington提出的矩量法(Method of Moment,MOM)实现了对圆环阵单元的电流分布和电场分布的数值计算。该方法虽然不能得到电场分布的解析解,但能够得到其数值解,且数值解的精度可以控制。随着计算机技术的发展,数值分析方法已经逐渐形成以矩量法[54-56]、时域有限差分法(inite-difference time-domain,FDTD)[57-58]、有限元法(Finite-Element Method,FEM)[59-60]为主的方法,这类方法可以分析包含任意复杂三维结构的天线单元或阵列,这无疑掀起了采用全波数值方法分析共形天线阵的热潮。1997年,Tayfun采用棱边函数考虑共形所导致的三角形网格的扭曲[61],并结合有限元法分析了圆柱形平台、球形平台及锥形平台上共形天线的输入阻抗。2003年,Railton等人使用时域有限差分法分析了如图1-5所示[62]的由17个双极化层叠圆形贴片单元组成的共形圆柱天线阵。2009年,北京理工大学的何芒利用基于分层介质格林函数的矩量法对圆柱共形微带天线进行了研究[63]。数值分析方法虽然应用范围十分广泛,且求解的精度较高,但对于大型天线阵的分析,需要海量的内存和巨大的计算时间,且难以达到收敛。因此,研究者们又开始关注高频分析方法[64-66]和混合方法[67-69],比如物理光学方法、几何绕射理论、一致性绕射理论,矩量法和一致性绕射理论的混合方法、有限元法和积分方程的混合方法等。上述这些方法也逐渐成熟化,并包含于商业全波仿真软件之中。上述全波数值分析方法擅长分析确定结构的共形天线单元或阵列的辐射特性,对于小型共形天线阵,全波数值分析方法计算效率尚可接受。但对于中等或大型共形天线阵,考虑到计算机所具备的计算能力,如果仍强制使用全波数值分析方法,那么计算效率将极低,甚至不可行。作为一种折中的方法,可采用基于孤立单元方向图或局部有源单元方向图结合电磁叠加原理计算辐射方向图的方法,进而进行方向图综合[70-72]。虽然这种方法只能考虑单元及载体之间的部分耦合,但计算的结果仍具有一定的指导意义,而且阵列规模越大,计算的结果越准确。
本世纪初,应用于信号处理领域的凸优化方法在阵列方向图综合中展现出了巨大的活力和优势,在共形阵方向图综合中也占据了关键一席。具有代表性的工作如下。2010年,Tsui等人基于坐标变换推导了任意共形阵远场矢量方向图的表达式[90],并把低副瓣和赋形波束共形阵功率方向图综合问题归纳为具有一般性的数学规划问题,并充分分析了问题的凸性,进而使用凸优化方法求解。2015年,Echeveste研究采用凸优化方法综合多波束共形阵问题[91],并考虑了单元之间互耦效应的影响。2016年,Wanqiu Hu等人又把凸优化方法拓展至双极化共形阵方向图综合问题[92]。上述的研究表明,凸优化方法不仅求解速度很快,而且求解的结果稳定且好于其他优化方法,特别适合中等或大型阵列的优化设计。图1-7研制的共形天线阵。(a)星载球面共形阵;(b)星载圆锥共形天线阵[93]
【参考文献】：
期刊论文
[1]共形相控阵天线的应用与关键技术[J]. 张光义. 中国电子科学研究院学报. 2010(04)
[2]共形相控阵天线方向图综合[J]. 陈云,何炳发. 现代雷达. 2008(12)
博士论文
[1]共形相控阵天线分析综合技术与实验研究[D]. 赵菲.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]四维天线阵的空间调制与单脉冲测向技术研究[D]. 姚瑞林.电子科技大学 2013
[2]共形四维阵列天线技术研究[D]. 郑丽.电子科技大学 2012
[3]四维天线阵在单脉冲雷达测向中的应用基础研究[D]. 黄昕寅.电子科技大学 2011
[4]四维天线阵理论与应用研究[D]. 王贵昌.电子科技大学 2008
[5]时间调制天线阵列理论与应用研究[D]. 朱小文.电子科技大学 2007
本文编号：2984404
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：210 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
文献[46]中报道的基于半球形平台和柱面-半球混合平台的共形天线阵实物图[46]
与此同时,Harrington提出的矩量法(Method of Moment,MOM)实现了对圆环阵单元的电流分布和电场分布的数值计算。该方法虽然不能得到电场分布的解析解,但能够得到其数值解,且数值解的精度可以控制。随着计算机技术的发展,数值分析方法已经逐渐形成以矩量法[54-56]、时域有限差分法(inite-difference time-domain,FDTD)[57-58]、有限元法(Finite-Element Method,FEM)[59-60]为主的方法,这类方法可以分析包含任意复杂三维结构的天线单元或阵列,这无疑掀起了采用全波数值方法分析共形天线阵的热潮。1997年,Tayfun采用棱边函数考虑共形所导致的三角形网格的扭曲[61],并结合有限元法分析了圆柱形平台、球形平台及锥形平台上共形天线的输入阻抗。2003年,Railton等人使用时域有限差分法分析了如图1-5所示[62]的由17个双极化层叠圆形贴片单元组成的共形圆柱天线阵。2009年,北京理工大学的何芒利用基于分层介质格林函数的矩量法对圆柱共形微带天线进行了研究[63]。数值分析方法虽然应用范围十分广泛,且求解的精度较高,但对于大型天线阵的分析,需要海量的内存和巨大的计算时间,且难以达到收敛。因此,研究者们又开始关注高频分析方法[64-66]和混合方法[67-69],比如物理光学方法、几何绕射理论、一致性绕射理论,矩量法和一致性绕射理论的混合方法、有限元法和积分方程的混合方法等。上述这些方法也逐渐成熟化,并包含于商业全波仿真软件之中。上述全波数值分析方法擅长分析确定结构的共形天线单元或阵列的辐射特性,对于小型共形天线阵,全波数值分析方法计算效率尚可接受。但对于中等或大型共形天线阵,考虑到计算机所具备的计算能力,如果仍强制使用全波数值分析方法,那么计算效率将极低,甚至不可行。作为一种折中的方法,可采用基于孤立单元方向图或局部有源单元方向图结合电磁叠加原理计算辐射方向图的方法,进而进行方向图综合[70-72]。虽然这种方法只能考虑单元及载体之间的部分耦合,但计算的结果仍具有一定的指导意义,而且阵列规模越大,计算的结果越准确。
本世纪初,应用于信号处理领域的凸优化方法在阵列方向图综合中展现出了巨大的活力和优势,在共形阵方向图综合中也占据了关键一席。具有代表性的工作如下。2010年,Tsui等人基于坐标变换推导了任意共形阵远场矢量方向图的表达式[90],并把低副瓣和赋形波束共形阵功率方向图综合问题归纳为具有一般性的数学规划问题,并充分分析了问题的凸性,进而使用凸优化方法求解。2015年,Echeveste研究采用凸优化方法综合多波束共形阵问题[91],并考虑了单元之间互耦效应的影响。2016年,Wanqiu Hu等人又把凸优化方法拓展至双极化共形阵方向图综合问题[92]。上述的研究表明,凸优化方法不仅求解速度很快,而且求解的结果稳定且好于其他优化方法,特别适合中等或大型阵列的优化设计。图1-7研制的共形天线阵。(a)星载球面共形阵;(b)星载圆锥共形天线阵[93]
【参考文献】：
期刊论文
[1]共形相控阵天线的应用与关键技术[J]. 张光义. 中国电子科学研究院学报. 2010(04)
[2]共形相控阵天线方向图综合[J]. 陈云,何炳发. 现代雷达. 2008(12)
博士论文
[1]共形相控阵天线分析综合技术与实验研究[D]. 赵菲.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]四维天线阵的空间调制与单脉冲测向技术研究[D]. 姚瑞林.电子科技大学 2013
[2]共形四维阵列天线技术研究[D]. 郑丽.电子科技大学 2012
[3]四维天线阵在单脉冲雷达测向中的应用基础研究[D]. 黄昕寅.电子科技大学 2011
[4]四维天线阵理论与应用研究[D]. 王贵昌.电子科技大学 2008
[5]时间调制天线阵列理论与应用研究[D]. 朱小文.电子科技大学 2007
本文编号：2984404
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