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基于方向图可重构技术的相控阵大角度扫描特性研究

作　者: 丁霄
导　师: 王秉中
学　校: 电子科技大学
专　业: 无线电物理
关键词: 毫米波天线相控阵大角度扫描方向图可重构有源单元方向图
分类号: TN820
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大角度扫描相控阵能够在较大的空域内发现目标，为制导、探测、搜索、识别、捕获和跟踪提供了及时的信息。工作在毫米波段的相控阵则具备很好的穿透传播特性，良好的抗干扰、反隐身能力，以及体积小、重量轻等特征，它们在车载、舰载和星载等领域有着广泛的应用。因此对工作在毫米波段的具备大角度扫描特性的相控阵进行研究，有着重要且深远的意义。本文围绕毫米波段大角度扫描相控阵的分析与设计方法展开了一系列的研究，主要内容如下：在第一章，介绍了相控阵、大角度扫描相控阵以及方向图可重构技术的研究背景以及发展动态。指出了相控阵发展过程中亟待解决的关键问题，并针对关键问题之一——大角度扫描，概述了实现大角度扫描的几种方法，分析了方向图可重构技术的特点以及实现方法。在第二章，首先分析了影响相控阵扫描波束指向角、增益、波束宽度和扫描栅瓣等性能的若干参数；接着，将方向图可重构技术与相控阵设计相结合，提出了含有方向图可重构单元的相控阵大角度扫描新思路。该新思路包括了大角度扫描的新方法、实验验证方案以及实验天线模型。其中，新方法包括了大角度扫描的具体实施步骤；实验验证方案包括了对1×4有源相控阵的实验验证步骤、实验验证指标分解；最后，提出了包含方向图可重构单元、1×4有源相控阵、T/R组件和馈电网络的实验天线模型。在第三章，提出了一种新型的毫米波馈电可重构方向图可重构天线，该新型方向图可重构天线通过重构馈电网络而得到不同重构模式的辐射方向图。首先，研究了它的方向图可重构原理，给出了详细估算方向图可重构模式的解析表达式。其次，根据上述解析表达式的初步计算结果，设计了三种可重构的馈电网络。最后，提出了该类型方向图可重构天线的定量设计方法。此外，考虑可重构天线内基本辐射元间的互耦效应以及重构馈电网络中嵌入开关的插入损耗等因素，修正和完善了估算解析表达式，使其能更加准确的指导该类型方向图可重构天线的设计。测试结果表明，所设计的方向图可重构天线具有三种可重构辐射模式，在其俯仰面的联合3dB波束宽度达到了大约128°，三种模式的辐射增益均达到9dB左右且增益波动在1dB之内。在第四章，首先提出了含有方向图可重构单元的1×4相控阵，给出了相控阵具体结构和馈电网络。其次，按照大角度扫描新方法，将扫描空域划分为三个子空域，在各个子空域内实施相扫，在接连的子空域范围内实现大角度扫描。再次，分析了相控阵及其扫描波束的特性。在分析相控阵阵因子时，发现含有方向图可重构单元的相控阵具有二维波束扫描自由度。在分析相控阵馈电网络时，提出了一种通过控制可重构单元内基本辐射元的间距、各可重构单元的间距以及单元各可重构辐射方向图初始状态，在扫描子区域内合理地规避栅瓣的解析方法，并给出了具体的图示和公式说明。最后，针对扫描区域内的高旁瓣、扫描波束指向角不准确以及扫描波束宽度突变等问题，利用遗传算法优化了各可重构单元的馈电幅度和相位，从而提高了相控阵大角度扫描波束特性。论文研究结果表明，该相控阵能够实现在俯仰面内±75°的扫描，其联合3dB波束覆盖范围达到了±80°，且增益波动在3dB之内。在第五章，对论文进行了总结，提出了进一步研究的课题。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第一章绪论  11-31
  1.1 研究工作背景和发展动态  11-28
    1.1.1 相控阵天线研究背景概述  11-16
      1.1.1.1 相控阵天线的构成、分类和工作特点  12-14
      1.1.1.2 相控阵天线的应用领域和发展面临的挑战  14-16
    1.1.2 大角度扫描相控阵的发展动态  16-20
    1.1.3 方向图可重构技术的发展动态  20-28
      1.1.3.1 方向图可重构天线的几种实现方法  20-24
      1.1.3.2 方向图可重构天线中的开关应用研究  24-28
  1.2 研究工作的主要内容和创新点  28-31
    1.2.1 研究工作的主要内容  28-29
    1.2.2 研究工作的贡献和创新点  29-31
第二章基于方向图可重构技术的平面相控阵大角度扫描方法  31-55
  2.1 相控阵扫描波束相关理论简介  31-38
  2.2 引入方向图可重构技术的相控阵大角度扫描新思路  38-54
    2.2.1 相控阵大角度扫描新方法  38-42
    2.2.2 相控阵大角度扫描实验验证方案  42-50
    2.2.3 大角度扫描相控阵实验模型  50-54
  2.3 本章小结  54-55
第三章新型毫米波方向图可重构单元研究  55-77
  3.1 方向图可重构单元的设计  55-69
    3.1.1 方向图可重构单元结构  55-56
    3.1.2 基本辐射元设计  56-62
    3.1.3 方向图可重构单元设计结果及分析  62-69
      3.1.3.1 可重构原理  62-64
      3.1.3.2 可重构馈电网络设计  64-67
      3.1.3.3 可重构单元性能  67-69
  3.2 方向图可重构单元的改进  69-75
    3.2.1 方向图可重构单元内的互耦效应  69-70
    3.2.2 基本辐射元本征方向图  70-71
    3.2.3 方向图可重构单元辐射方向图  71-73
    3.2.4 计算模型的进一步修正  73-75
  3.3 本章小结  75-77
第四章含有方向图可重构单元的毫米波大角度扫描相控阵  77-107
  4.1 含有方向图可重构单元的毫米波相控阵设计  77-91
    4.1.1 相控阵结构  77-78
    4.1.2 相控阵波束扫描自由度及扫描栅瓣分析  78-91
      4.1.2.1 相控阵波束扫描自由度分析  79-81
      4.1.2.2 相控阵扫描栅瓣分析  81-91
  4.2 毫米波相控阵扫描特性分析  91-96
  4.3 基于遗传算法的相控阵天线扫描波束优化  96-106
    4.3.1 遗传算法相关简介  97-99
    4.3.2 遗传算法用于优化相控阵扫描波束  99-101
      4.3.2.1 优化目标的选取  99-100
      4.3.2.2 适应度函数的建立  100
      4.3.2.3 遗传算法程序框图  100-101
    4.3.3 遗传算法优化结果  101-106
  4.4 本章小结  106-107
第五章全文总结与展望  107-110
  5.1 全文总结  107-108
  5.2 后续工作展望  108-110
致谢  110-111
参考文献  111-119
攻博期间取得的研究成果  119-120

基于方向图可重构技术的相控阵大角度扫描特性研究

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