赋形印刷阵列及流星余迹通信天线研究

论文摘要

印刷天线因其自身优点而广泛应用在雷达、通信等许多领域,这些应用不仅对天线波束形状提出了特定要求,而且对天线及其馈电系统的体积和重量也有比较苛刻的限制。因此研究紧凑化、轻量化的高性能赋形印刷阵列天线具有重大的理论和工程意义。另一方面,作为卫星通信、短波通信等通信方式的必要补充,流星余迹通信(MBC)已成为现代战争的一种应急通信保障手段并越来越受到重视。而研制出适用其应用的高性能天线,是建立起MBC系统的基础。本文紧密结合科研项目,研究了赋形印刷阵列天线及流星余迹通信天线。主要工作包括以下方面:1.给出了赋形阵列天线波束的综合方法。该方法分别应用Taylor综合法和最小二乘综合法设计方位面低副瓣波束和俯仰面超余割平方赋形波束,可根据指标要求确定合理的阵列阵面参数如单元数目和间距等,从而为下一步的波束精确设计奠定基础。2.提出了一种基于幅相误差模型的迭代式的Taylor综合方法,可适用于低副瓣波束的综合。该方法在分析单元幅相误差统计特性的基础上,在波束综合迭代过程中预先考虑了单元幅相误差对副瓣电平的影响并留出适合的余量,因此当天线制作过程中存在材料特性、加工以及安装等各项误差时,阵列副瓣电平也可满足要求。3.提出了一种赋形波束的非线性、对称、间接约束优化方法,可适用于超余割平方赋形波束的综合。本方法在满足目标波束的基础上,通过在优化过程中对阵列激励系数采用对称、间接约束,可使馈电网络设计量减半,使相邻单元的激励幅度之比小于约束值,从而馈电网络更易于实现,其功率容量也得到提高。而且,该间接约束方法的提出可将一个间接约束的优化问题变成无约束的优化问题,从而降低了优化难度,提高了计算效率。4.提出了一种双层紧凑型微带/带状线混合型阵列馈电网络。该网络在靠近输入端的前级采用了分层设计的空气带状线形式,在利用其损耗小、功率容量大等优点的同时实现了网络的紧凑化。在后级采用了微带线形式,利用了其易与微带印刷振子相集成、重量轻等优点,因此,本文网络不仅易集成、损耗小,而且结构紧凑、重量轻,对天线馈电系统的小型化设计具有重要意义。5.给出了适用于大型阵列复杂馈电系统的散射矩阵级联分析方法。该方法首先将复杂馈电网络分解为若干个子网络后进行全波分析,然后将每个子网络的散射矩阵进行级联,从而可得到整个馈电网络的散射矩阵特性。同时该方法也可用于辐射单元与馈电网络的整体特性分析。因此本文方法突破了大型馈电网络仿真对计算机资源的限制,提高了计算效率和精度,与测试结果的一致性验证了本文方法的有效性。6.提出了一种适用于UHF车载移动通信的串馈全向印刷阵列天线形式。该天线可满足水平面全向、垂直面赋形的波束要求,且由于印刷平行双导线串联馈电的应用,实现了天线的小型化。在天线设计过程中提出了辐射特性和阻抗特性分开设计的思想,并采用遗传算法与矩量法相结合的混合方法对赋形波束进行了优化设计。测试结果表明了本文方法的有效性。该印刷阵列天线已交付使用。7.在理解流星余迹通信机理的基础上,研究了适合的高性能八木天线优化设计技术。针对天线的高增益、低驻波比、低副瓣电平等要求,应用矩量法与遗传算法相结合的方法对VHF频段八木天线长度、间距等参数进行了多目标优化设计。制作了用于流星余迹通信链路试验的天线样机,与整个系统集成后已成功进行了流星余迹链路通信实验。8.研究了用于流星余迹通信的天线的改进形式。提出了X形激励振子的宽带八木天线,可在增益、驻波比、副瓣电平等参数都满足要求的情况下,将带宽展宽至10%,并得到样机测试结果的验证,表明该天线可满足流星余迹通信系统对宽频带的要求。更进一步,本文还研究了双层垂直排阵的X形激励振子的八木天线,以及可形成四波束的平行排列的多波束天线阵列。仿真结果表明其增益相较单个天线可分别提高2.6dB和5.2dB,这些新形式高性能八木天线的研究对进一步提高流星余迹通信系统的通信能力具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 赋形印刷阵列天线研究
• 1.2.1 阵列方向图的综合
• 1.2.2 阵列方向图的优化
• 1.2.3 印刷阵列单元及馈电网络
• 1.3 流星余迹通信天线的研究
• 1.4 天线的数值计算方法
• 1.4.1 数值计算方法
• 1.4.2 数值计算的常用软件
• 1.5 论文的研究内容及作者主要工作
• 1.5.1 论文的研究内容
• 1.5.2 作者的主要工作
• 第二章 阵列天线的分析基础
• 2.1 引言
• 2.2 阵列天线方向图分析
• 2.2.1 任意排列的线阵方向图
• 2.2.2 等间距排列的阵因子
• 2.2.3 平面阵阵因子
• 2.3 阵列天线的矩量法分析
• 2.3.1 电场积分方程
• 2.3.2 矩量法求解
• 2.3.3 正弦插值基函数
• 2.3.4 检验函数及激励源模型
• 2.4 小结
• 第三章 基于误差模型的低副瓣波束综合
• 3.1 引言
• 3.2 天线技术要求及组成
• 3.3 阵面结构及阵列方向图
• 3.4 低副瓣TAYLOR综合
• 3.4.1 TAYLOR综合原理
• 3.4.2 计算实例
• 3.4.3 方位面参数的确定
• 3.5 低副瓣波束中的单元随机误差分析
• 3.6 基于误差模型的低副瓣方向图设计
• 3.6.1 TAYLOR综合中参数ξ的确定
• 3.6.2 随机幅相误差对方向图的影响
• 3.7 小结
• 第四章 超余割平方赋形波束的综合与优化
• 4.1 引言
• 4.2 超余割平方赋形波束的综合
• 4.2.1 目标方向图构造
• 4.2.2 阵列的最小二乘综合
• 4.2.3 计算实例
• 4.2.4 天线俯仰面参数的确定
• 4.3 超余割平方赋形波束的优化
• 4.3.1 互耦对赋形波束的影响
• 4.3.2 间接对称约束的非线性优化方法
• 4.4 小结
• 第五章 印刷天线阵的单元及馈电网络设计
• 5.1 引言
• 5.2 宽带印刷振子的优化设计
• 5.2.1 印刷振子的结构
• 5.2.2 巴伦结构及电路实现
• 5.2.3 宽带阻抗匹配的设计
• 5.2.4 仿真及测试结果
• 5.3 馈电网络方案
• 5.3.1 网络拓扑图
• 5.3.2 实现形式
• 5.4 网络单元的设计与分析
• 5.4.1 WILKINSON功分器
• 5.4.2 支线耦合器
• 5.4.3 计算结果
• 5.5 网络的级联分析
• 5.5.1 多端口网络的级联分析
• 5.5.2 子网络的设计验证
• 5.5.3 计算及测试结果
• 5.6 网络与辐射单元的级联分析
• 5.6.1 多端口网络与辐射单元的级联分析
• 5.6.2 计算结果
• 5.7 天线测试结果
• 5.7.1 单行行馈测试结果
• 5.7.2 列馈测试结果
• 5.7.3 天线测试结果
• 5.8 小结
• 第六章 串馈全向赋形印刷天线阵设计
• 6.1 引言
• 6.2 天线技术指标
• 6.3 串馈全向印刷天线结构
• 6.3.1 天线组成
• 6.3.2 天线馈电方式及工作原理
• 6.3.3 天线的主要参数
• 6.4 串馈全向印刷天线的设计
• 6.4.1 赋形波束的快速优化
• 6.4.2 天线驻波比的仿真与优化
• 6.4.3 单元间距对赋形方向图的影响分析
• 6.4.4 天线测试结果
• 6.5 小结
• 第七章 流星余迹通信天线技术
• 7.1 引言
• 7.2 流星余迹通信天线形式的选择
• 7.2.1 工作频率
• 7.2.2 通信距离
• 7.2.3 通信网络
• 7.2.4 流星余迹通信对天线的要求及选择的天线形式
• 7.2.5 本文研究的天线指标
• 7.3 八木天线的设计
• 7.3.1 天线结构
• 7.3.2 天线综合
• 7.3.3 地面对天线的影响
• 7.4 八木天线的多目标优化设计
• 7.4.1 目标函数
• 7.4.2 计算及测量结果
• 7.4.3 远距离链路实验
• 7.5 宽带X形八木天线的优化设计
• 7.5.1 八木天线的频带展宽
• 7.5.2 X形激励振子的优化设计
• 7.5.3 X形有源振子夹角α的选择
• 7.5.4 计算及测量结果
• 7.6 八木天线阵列的优化设计
• 7.6.1 天线结构
• 7.6.2 计算结果
• 7.7 多波束八木天线阵列的优化设计
• 7.7.1 流星余迹通信中的波束形成方法
• 7.7.2 多接收机/多波束系统天线阵列设计
• 7.8 小结
• 第八章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 作者已发表或录用的论文及科研情况