混合天线系统及基于散射矩阵的波束形成

论文摘要

在过去的几十年中，许多学者对反射面天线馈源扫描技术进行了研究，但大部分馈源扫描是通过横向移动单点馈源或副反射面来实现的。通常使用喇叭天线或开口波导作为反射面天线的单点馈源，通过移动馈源的位置来实现天线的主波束指向的变化。如果天线波束扫描的范围较小，利用单点馈源馈电的抛物面天线就可以实现。但如果扫描范围较大，用单点馈源扫描抛物面天线时，会出现慧瓣，因而限制了扫描角度。 本文研究了一种由放置在反射面顶端的横向静态馈源阵列与反射面构成的混合天线系统，这种天线系统结合了阵列天线波束可以电控和反射面天线结构简单的优点，通过改变馈源阵列单元馈电的幅度和相位来实现电控波束扫描，而不需要移动馈源的位置。当波束扫描角范围不是很大时，混合天线系统能够利用较少的单元实现电控窄波束，从而可以大大降低电控波束天线系统的成本。本文根据物理光学法，将自由空间中的并矢格林函数应用于混合天线系统中接收时、发射时电磁场的计算，另外，还引入了描述阵列口面场与混合天线口面场之间的变换关系的散射矩阵。将整个混合天线系统看作一个N端口网络，其中一些端口与物理馈源(阵列孔径)相关，其他端口与反射面孔径面相关，同时利用并矢格林函数法对系统中阵列馈源面和反射面孔径面处的电、磁场进行计算，导出N端口的散射矩阵。通过对散射矩阵的数值计算和分析来研究该系统的接收和发射波束形成。本文就文献中优化的混合天线系统，即：反射面孔径的大小为60λ，馈源孔径面的大小为30λ的混合天线系统的波束形成进行分析，由分析结果可以看出：这种天线在±20°扫描角范围内，波束形状基本保持不变，实现了较大角域内的波束扫描。因而得出结论：通过合理的分析与设计可以使混合天线的波束扫描范围达到数百个波束宽度，而所采用的阵列的单元数量较常规阵列天线少得多。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文的主要内容和章节安排
• 第二章 横向混合天线系统的构造
• 2.1 混合天线系统概述
• 2.2 混合天线系统的优化
• 第三章 电磁场的并矢格林函数计算
• 3.1 引言
• 3.2 几何光学理论
• 3.2.1 理论介绍
• 3.2.2 几何光学方法的局限性
• 3.3 物理光学法
• 3.3.1 理论介绍
• 3.3.2 物理光学法的应用
• 3.4 并矢格林函数计算场
• 3.4.1 标量格林函数g（R）的导数
• 3.4.2 梯度▽R的计算
• EJ的计算'>3.4.3 并矢格林函数G_EJ的计算
• EM的计算'>3.4.4 并矢格林函数（G|＝）_EM的计算
• HJ，（G|＝）_EM的计算'>3.4.5 并矢格林函数（G|＝）_HJ，（G|＝）_EM的计算
• HJ，（G|＝）_EM编程计算电磁场'>3.4.6 利用并矢格林函数（G|＝）_HJ，（G|＝）_EM编程计算电磁场
• 3.4.7 混合系统中接收时场的计算
• 3.4.8 混合系统中发射时场的计算
• 第四章 混合天线系统中散射矩阵的计算
• 4.1 引言
• 4.2 均匀直线阵的波束形成
• 4.3 混合天线系统中散射矩阵参数
• 4.3.1 混合天线系统中的反射面模型及散射矩阵
• 4.3.2 混合天线中的散射矩阵计算
• 第五章 混合天线系统中基于散射矩阵的波束形成
• 5.1 基于散射矩阵的波束形成
• 5.2 混合天线系统中的接收波束形成
• 5.2.1 混合天线系统中接收波束形成的理论分析
• 5.2.2 混合天线系统中接收波束形成举例
• 5.3 混合天线系统中的发射波束形成
• 5.3.1 混合天线系统中发射波束形成的理论分析
• 5.3.2 混合系统中发射波束形成举例
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 读研期间完成的学术论文