强耦合宽带相控阵辐射与散射特性协同研究
发布时间：2021-10-29 09:49
相控阵天线具有快速的波束扫描能力和灵活的波束形成能力等优点,在现代雷达和通信系统中得到了广泛运用。未来先进多功能电子系统将把通信系统、雷达系统、电子战系统、定位系统等诸多子系统集成于一个单一孔径,因而对相控阵天线同时具备宽工作带宽、宽角波束扫描、低剖面以及低散射等性能提出了迫切需求。强耦合宽带相控阵将阵元间互耦效应视为有利因素,在宽带宽角扫描以及低剖面等性能上表现出独特优势。基于强耦合效应的宽带相控阵天线设计思想突破了传统阵列天线理论框架的限制,有望为具有低剖面、低散射特性的宽带宽角扫描相控阵天线的实现开辟新途径。本论文以解决相控阵天线面临的上述需求为出发点,对强耦合宽带相控阵的辐射与散射特性展开协同研究,并提出多种关于强耦合宽带相控阵的有效散射控制方法。本文主要内容概括如下:1.强耦合宽带天线阵辐射与散射特性平衡实现技术研究关于强耦合宽带天线阵的研究一般主要集中在其辐射特性,对散射特性的关注和研究则相当薄弱。本文开展关于强耦合宽带天线阵的辐射与散射特性平衡实现技术研究,提出一种同时具有超宽带宽角扫描特性以及超宽带低后向散射特性的强耦合偶极子天线阵设计方法。通过二端口等效网络分析模型对...
【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】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型渐变开槽单元结构[29]
第一章绪论3现10倍频带宽；如果H=λhigh/2（后续提到的其他形式宽带天线阵的典型剖面高度）则仅仅只能获得2:1带宽。因此为了实现优秀的宽带阻抗匹配性能，渐变开槽阵列的纵向尺寸一般都比较大，通常为2~3λhigh。另外，为了避免发生单元自谐振，阵列相邻单元之间需要电连接[31]。如图1-2所示为美国Kansas大学与海军研究实验室联合报道的一款工作频段为2~18GHz、最大扫描角为30°的8×8双极化Vivaldi面阵[32]。该阵列主要用于对海面上的冰雪进行全极化测量和精细测绘以估算积雪厚度，但此阵列的剖面高度更高，达到了6.24λhigh。图1-1典型渐变开槽单元结构[29](a)(b)图1-2实际有源激励口径为8×8的双极化Vivaldi面阵[32]。(a)正面；(b)背面渐变开槽阵列的较高剖面高度还会导致阵列扫描时交叉极化电平的升高[28,33]，这是因为沿着槽线方向存在很强的垂直于阵列平面的电流。当阵列侧射辐射时，这些电流不会产生辐射；可是一旦阵列进行扫描就会引起严重的交叉极化辐射，甚至还会出现交叉极化辐射电平超出主极化电平的“极化反转”现象，特别是在对角面内扫描时这种恶化更为明显，甚至可能会在低至30°的扫描角时就会发生此现象[28]。对于双极化阵列来说，尽管使用校正算法[28]可以用于提高极化纯度，但是却不能做到在整个带宽和扫描范围内都有明显改善效果。如何彻底有效地解决渐变开槽阵列在对角面内扫描时存在的交叉极化过高的问题一直困扰着国内外相关学者。2018年，马萨诸塞大学阿默斯特分校M.N.Vouvakis团队的J.T.Logan提出一种切片式渐变开槽阵列形式[18]。如图1-3所示，通过将常规渐变开槽阵列每个单
萍即笱Р┦垦?宦畚?4元表面的槽线导体部分切割成完全分立的薄片，且保持相邻薄片之间间隔足够小以形成强电容耦合效果，这样就能有选择性地调控并约束槽线上的垂直电流几何路径和幅度，以达到平衡槽线区域内的垂直电流与水平电流之比的目的，进而实现对交叉极化的有效控制。实验证实该切片式阵列相比于常规阵列在D面内高频处的极化纯度提高了20dB以上。但该阵列的剖面高度与常规阵列无异，仍然高达3λhigh。毋庸置疑的是，由于在低剖面和低交叉极化等性能上难以兼顾，渐变开槽阵列在某些应用场景下势必会受到限制。图1-3切片式渐变开槽阵列[18]以克服渐变开槽阵列的性能缺陷为动力，不断激发了相关学者对其他宽带天线阵形式的关注和研究热情。特别地，一些由类偶极子单元组成的阵列逐渐发展起来并期望能够作为渐变开槽阵列的替代形式。同渐变开槽阵列一样，这类阵列从外观上看也是垂直集成在接地平板上的一系列PCB片，如图1-4(b)所示[37]。但这类阵列不再需要用到Knorr巴伦，剖面高度也更低，基本上约λhigh/2，且沿着对角面内扫描时可以保持较低的交叉极化特性。另外，相邻单元之间也不需要电连接，因而保证了在机械组装上的便利。对跖Vivaldi阵列（antipodalVivaldiarray，AVA）[34]就是这类阵列形式的典型代表。为了进一步降低AVA的交叉极化电平，后来又演变成平衡对跖Vivaldi阵列（balancedantipoalVivaldiarray，BAVA）[35-37]。从图1-4(a)可见[37]，BAVA单元包含由三层带线结构形成的偶极子臂。每个偶极子臂从较窄馈线处就开始发生锥削渐变效果，并在单元匹配至50Ω的过程中充当阻抗变换枝节的角色，一个臂直接与50Ω非平衡端口相连，另一个臂直接与地平面相接触。M.Elsallal发现直接采用这种馈电方式会产生严重的共模谐振?
本文编号：3464452
【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】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型渐变开槽单元结构[29]
第一章绪论3现10倍频带宽；如果H=λhigh/2（后续提到的其他形式宽带天线阵的典型剖面高度）则仅仅只能获得2:1带宽。因此为了实现优秀的宽带阻抗匹配性能，渐变开槽阵列的纵向尺寸一般都比较大，通常为2~3λhigh。另外，为了避免发生单元自谐振，阵列相邻单元之间需要电连接[31]。如图1-2所示为美国Kansas大学与海军研究实验室联合报道的一款工作频段为2~18GHz、最大扫描角为30°的8×8双极化Vivaldi面阵[32]。该阵列主要用于对海面上的冰雪进行全极化测量和精细测绘以估算积雪厚度，但此阵列的剖面高度更高，达到了6.24λhigh。图1-1典型渐变开槽单元结构[29](a)(b)图1-2实际有源激励口径为8×8的双极化Vivaldi面阵[32]。(a)正面；(b)背面渐变开槽阵列的较高剖面高度还会导致阵列扫描时交叉极化电平的升高[28,33]，这是因为沿着槽线方向存在很强的垂直于阵列平面的电流。当阵列侧射辐射时，这些电流不会产生辐射；可是一旦阵列进行扫描就会引起严重的交叉极化辐射，甚至还会出现交叉极化辐射电平超出主极化电平的“极化反转”现象，特别是在对角面内扫描时这种恶化更为明显，甚至可能会在低至30°的扫描角时就会发生此现象[28]。对于双极化阵列来说，尽管使用校正算法[28]可以用于提高极化纯度，但是却不能做到在整个带宽和扫描范围内都有明显改善效果。如何彻底有效地解决渐变开槽阵列在对角面内扫描时存在的交叉极化过高的问题一直困扰着国内外相关学者。2018年，马萨诸塞大学阿默斯特分校M.N.Vouvakis团队的J.T.Logan提出一种切片式渐变开槽阵列形式[18]。如图1-3所示，通过将常规渐变开槽阵列每个单
萍即笱Р┦垦?宦畚?4元表面的槽线导体部分切割成完全分立的薄片，且保持相邻薄片之间间隔足够小以形成强电容耦合效果，这样就能有选择性地调控并约束槽线上的垂直电流几何路径和幅度，以达到平衡槽线区域内的垂直电流与水平电流之比的目的，进而实现对交叉极化的有效控制。实验证实该切片式阵列相比于常规阵列在D面内高频处的极化纯度提高了20dB以上。但该阵列的剖面高度与常规阵列无异，仍然高达3λhigh。毋庸置疑的是，由于在低剖面和低交叉极化等性能上难以兼顾，渐变开槽阵列在某些应用场景下势必会受到限制。图1-3切片式渐变开槽阵列[18]以克服渐变开槽阵列的性能缺陷为动力，不断激发了相关学者对其他宽带天线阵形式的关注和研究热情。特别地，一些由类偶极子单元组成的阵列逐渐发展起来并期望能够作为渐变开槽阵列的替代形式。同渐变开槽阵列一样，这类阵列从外观上看也是垂直集成在接地平板上的一系列PCB片，如图1-4(b)所示[37]。但这类阵列不再需要用到Knorr巴伦，剖面高度也更低，基本上约λhigh/2，且沿着对角面内扫描时可以保持较低的交叉极化特性。另外，相邻单元之间也不需要电连接，因而保证了在机械组装上的便利。对跖Vivaldi阵列（antipodalVivaldiarray，AVA）[34]就是这类阵列形式的典型代表。为了进一步降低AVA的交叉极化电平，后来又演变成平衡对跖Vivaldi阵列（balancedantipoalVivaldiarray，BAVA）[35-37]。从图1-4(a)可见[37]，BAVA单元包含由三层带线结构形成的偶极子臂。每个偶极子臂从较窄馈线处就开始发生锥削渐变效果，并在单元匹配至50Ω的过程中充当阻抗变换枝节的角色，一个臂直接与50Ω非平衡端口相连，另一个臂直接与地平面相接触。M.Elsallal发现直接采用这种馈电方式会产生严重的共模谐振?
本文编号：3464452
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