基于FDTD的微带天线分析与共形阵列设计

论文摘要

由于共形天线阵所具有的低剖面、不影响载体表面空气动力学、易实现大角度扫描等特性,已经越来越多的被应用于高速运动载体。但是共形天线阵也存在一些的问题,如一般共形天线阵采用低剖面微带天线作为阵元,其工作带宽比较窄;在实现大角度扫描的时候希望天线阵元具有更宽的波瓣;天线阵共形分布在复杂曲面载体上时,阵列方向图综合变得非常困难,传统的平面阵理论方法已不能适用等。本文针对这些问题,研究了基于时域有限差分法（FDTD）分析的微带阵元的低剖面宽带技术和低剖面宽波瓣技术,以及圆柱载体上的共形直线阵、半球体上的共形阵和柱球结合载体上的复杂共形阵方向图综合方法。主要内容有:首先,介绍了FDTD的基本理论,以及FDTD激励源的合理设置,推导了近-远场转换的数学公式。其次,实验研究了载体半径对共形天线单元驻波特性和辐射特性的影响,以FDTD为分析工具设计了适用于共形的低剖面宽带微带天线和低剖面宽波瓣微带天线。然后,研究了圆柱载体上共形直线阵、半球载体上的共形阵的分析方法,并利用实测的阵元方向图综合出泰勒分布的阵列方向图,然后使用非支配遗传算法对半球载体上的共形阵以及柱球结合载体上的复杂共形阵进行方向图综合并给出了阵列的实测结果。最后,对共形天线阵进行了误差分析,分析了阵元位置公差、阵元失配和馈电相位误差对天线阵辐射特性的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 共形天线的研究意义
• 1.2 共形天线分析的国内外发展动态
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 时域有限差分法的基本理论
• 2.1 FDTD 的基本方程
• 2.1.1 麦克斯韦方程及Yee 元胞
• 2.1.2 介质界面电磁参数的选取
• 2.1.3 解的稳定性及数值色散问题
• 2.1.4 吸收边界条件
• 2.1.5 激励源的设置
• 2.2 近远场变换的原理及实现
• 2.2.1 场等效性原理
• 2.2.2 时谐场的外推
• 2.2.3 瞬态场的外推
• 2.3 计算实例
• 2.4 小结
• 第三章 共形微带阵元的设计
• 3.1 共形载体对微带天线单元的影响
• 3.2 共形微带天线单元设计
• 3.2.1 宽带微带天线设计
• 3.2.2 宽波束微带天线设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 共形微带天线阵的设计
• 4.1 圆柱载体上的共形直线阵的波束扫描
• 4.2 半球载体上的共形阵的波束扫描
• 4.3 非支配遗传算法在共形天线阵综合中的应用
• 4.3.1 非支配遗传算法的原理
• 4.3.2 INSGA-II 在共形阵方向图综合中的应用
• 4.4 小结
• 第五章 阵列误差分析
• 5.1 阵元位置公差对共形阵列的影响
• 5.2 阵元失配对共形阵列的影响
• 5.3 馈电相位误差对共形阵列的影响
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果