發(fā)布時間：2020-05-09 05:12

【摘要】：天線的方向圖為天線設(shè)計中最為重要的指標(biāo)之一,而方向圖的綜合也是天線領(lǐng)域研究的熱點問題。本文在前人的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)的給出了陣元方向圖分集(Element-Level Pattern Diversity,ELPD)綜合法。有別于傳統(tǒng)的陣因子綜合法,陣元方向圖分集綜合法可以為天線陣列提供一個新的自由度,從而為天線綜合帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。其次,著重研究了在軍事與通信中應(yīng)用廣泛的錐狀波束天線的綜合。本論文主要的工作及創(chuàng)新點可以概括如下:(1)系統(tǒng)給出了利用陣元方向圖分集技術(shù)綜合線天線陣的理論和方法:有別于陣因子綜合法,陣元方向圖分集綜合法中,各個陣元的方向圖是不相同的。因此,遠(yuǎn)場方向圖由波程差和陣元方向圖的遠(yuǎn)場疊加共同決定,從而引入了一個新的自由度。首先利用傅里葉變換法對陣元方向圖分集陣列進(jìn)行綜合,并給出了其物理含義。實際應(yīng)用中每個陣元的饋電幅度和相位由人工蜂群(ABC)算法給出。通過端射及邊射的幾個例子,對比了陣元方向圖分集陣列與傳統(tǒng)陣列的結(jié)果,并分析了兩種陣列的敏感度,給出了陣元方向圖分集綜合法的優(yōu)缺點。結(jié)果表明陣元方向圖分集陣列適用于綜合電流快速變化的陣列,如平頂波束和雙波束等。使用陣元方向圖分集綜合法能在使用較少陣元數(shù)的情況下得到和陣因子綜合法類似的結(jié)果,因此可以簡化饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。同時,陣列的敏感度也降低了。(2)針對雙波束增益及波束指向角靈活控制的需求,利用陣元方向圖分集技術(shù)設(shè)計了一個雙波束天線:利用SMA接頭對SIW腔體饋電,并在腔體上開槽對長方形貼片進(jìn)行饋電。長方形貼片的長度決定了其表面激勵起的模式,不同的方向圖由不同的模式實現(xiàn)。利用此理念設(shè)計并加工了一個3陣元陣列。測試結(jié)果顯示天線在中心頻率為5.8GHz的10dB阻抗帶寬為11%,波束指向角為49°,最大增益為10.1dBi,從而驗證了理論的有效性。(3)針對高增益且E面H面波束寬度等化天線的需求,利用陣元方向圖分集技術(shù)設(shè)計了一種磁電偶極子陣列:陣列的E面方向圖由不同模式的偶極子遠(yuǎn)場疊加得到的,而H面方向圖則主要依靠陣因子來進(jìn)行綜合。因此,使得一維陣列能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)二維陣列的效果。設(shè)計并加工了一個3陣元陣列以驗證理論的正確性。測試結(jié)果表明,天線在中心頻率為2.4GHz的10dB阻抗帶寬為12.5%,在帶寬內(nèi)均能保持E面與H面方向圖波束寬度一致。(4)針對指定傾角下高增益錐狀波束天線的需求,提出一種基于同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)的陣元方向圖分集陣列:同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)可以分為同心電流環(huán)與同心磁流環(huán)。通過仿真驗證了同心電流環(huán)綜合錐狀波束的可行性。利用嵌套喇叭結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同心磁流環(huán)陣列。設(shè)計并加工了一個3陣元同心磁流環(huán)嵌套喇叭陣列。測試結(jié)果表示,陣列的波束指向角為18°,增益為10.9dBi,阻抗帶寬為6%。(5)對陣元方向圖分集綜合與共形陣列,時間調(diào)制陣列結(jié)合做了初步的研究:仿真結(jié)果表明陣元方向圖分集綜合法可以適用于共形陣列與時間調(diào)制陣列,同時依舊具有節(jié)省陣元數(shù)等優(yōu)點。(6)利用圓介質(zhì)柱漏波天線實現(xiàn)了雙錐狀波束天線:通過調(diào)整介質(zhì)加載的參數(shù),可以使圓介質(zhì)柱產(chǎn)生輻射。同時恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整漏波周期,可以實現(xiàn)所需要的波束指向。設(shè)計并仿真了一個雙錐狀波束天線,兩個波束指向角分別為117.5°與123.2°,仿真的增益為11.3dBi與11.18dBi。(7)針對高增益大角度平面結(jié)構(gòu)的錐狀波束天線的需求,提出了一個基于共面波導(dǎo)饋電的串饋陣列:共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以在得到周向?qū)ΨQ方向圖的情況下保持平面結(jié)構(gòu)。天線的副瓣由泰勒分布來控制。通過對天線陣元的相位進(jìn)行補(bǔ)償,可以精確的控制波束指向。在理論的基礎(chǔ)上設(shè)計并加工測試了一個16陣元的天線。天線在中心頻率為10.5GHz的15dB反射系數(shù)阻抗帶寬為11.4%。在中心頻率處的增益和副瓣電平為10.5dBi和-20dB。測試的波束指向角為77°。
【圖文】：

圖１．１新型陣列技術(shù)示意圖：（ａ）頻率分集陣列，（ｂ）時間調(diào)制陣列逡逑在傳統(tǒng)陣列中，，陣元的形式、規(guī)格及排列取向均一致，因此其方向圖也完全相同

圖１．２錐狀波束方向圖示意圖逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN820

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6 蕭英U

本文編號：2655642