空间功率合成中天线阵列的应用研究

论文摘要

由于产生高功率微波的物理机制以及微波器件工艺结构的限制,微波源都有功率上限,因此研究通过天线阵列在自由空间实现高功率的空间功率合成技术具有重要意义。空间功率合成作为一个复杂的系统工程,待研究的内容较多,本文主要关注实现空间功率合成的原理以及天线布阵技术对它的影响,主要内容包括:对多种阵列形式的特性进行讨论和分析;研究在多约束条件下,三维稀疏体阵列的综合方法;研究交叉波束实现空间功率合成的方法,并考察目标处电场强度的分布规律。当目标处于天线阵列远区时,可以采用传统阵列理论即平行波束的方法进行分析。窄带的高功率微波常工作在短脉冲体制下,当各单元同时馈电时,由于阵列渡越时间的存在,限制阵列最大口径的选取,天线的物理尺寸限制了最小阵元间距的选取。因此,本文研究了在“给定空间、单元个数、最小阵元间距”等约束条件下三维稀疏阵列的综合方法。在空间功率合成的应用中,通过改变天线阵列的布局可用于提高有限功率的利用效率、控制波束形状。在本文中设置了四类适应度函数,通过调整阵元位置和精确控制各单元馈电相位,实现提高阵列方向性系数,增加空间固定立体角内功率比例,压制栅瓣和副瓣,在波束扫描过程中实现低副瓣和方位角对称特性。在具有相同口径且稀疏率约为11%的阵列中,比较了均匀间距的矩形阵列和综合出的阵列的性能,验证了方法的有效性。当目标处于阵列的近区、而处于各单元的远区时,由于各天线的主波束指向不同,方向图相乘原理失效,需采用交叉波束的方法对目标处电场进行分析。和平行波束不同的是,交叉波束会在目标区域处产生干涉条纹。由于天线主波束指向各不相同会引起目标处电场极化方向不同,本文采用共形阵列的分析方法对目标处的电场分布进行计算。在假设“目标处各天线辐射电磁波极化方向一致”时,本文分析、推导了目标区域处电场分布的规律,之后,研究了因极化方向不同对目标区域处电场分布带来的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 空间功率合成研究的意义、内容和历史背景
• 1.1.1 空间功率合成研究的概念和意义
• 1.1.2 空间功率合成的历史背景
• 1.1.3 空间功率合成的研究内容
• 1.2 当前国内外研究现状
• 1.2.1 空间功率合成的研究现状
• 1.2.2 天线阵列综合的研究现状
• 1.3 本文的主要工作及内容安排
• 第二章 阵列天线的理论和优化方法
• 2.1 阵列远场方向图的计算
• 2.1.1 任意三维随机阵列的阵因子
• 2.1.2 多种阵列的特性
• 2.1.3 费里斯传输公式
• 2.2 优化方法
• 2.2.1 微遗传算法的发展
• 2.2.2 微遗传算法的过程及实质
• 2.3 小结
• 第三章 平行波束
• 3.1 平行波束实现空间功率合成
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 影响因素
• 3.1.3 阵列在高功率应用中存在的问题
• 3.2 优化方法在空间功率合成中的应用
• 3.3 天线阵列综合的方法
• 3.3.1 三维阵列的综合方法
• 3.4 仿真结果
• 3.4.1 最大化阵列的方向性系数
• 3.4.2 最大化固定空间立体角内功率比例
• 3.4.3 最小化副瓣电平
• 3.4.4 主波束扫描综合出的阵列
• 3.5 阵列口径的确定和阵元间距的选取
• 3.5.1 阵列口径的确定
• 3.5.2 最小阵元间距的确定
• 3.6 小结
• 第四章 交叉波束
• 4.1 平行波束与交叉波束的关系
• 4.2 各天线电场在目标处极化方向相同
• 4.2.1 理论基础及推导
• 4.2.2 仿真结果
• 4.3 考虑各单元极化特性
• 4.3.1 理论基础及推导
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 目标处的功率密度
• 4.5 小结
• 第五章 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果