相控阵关键技术研究

论文摘要

随着社会的发展,传统的卫星通信业务已渐渐的从固定的地面站通信倾向于灵活的移动通信。在各种移动载体上,例如汽车,船舶,飞机等,利用卫星来进行信息交流的需求,日渐紧迫,这必然带动高性能天线和智能波束控制技术的发展。目前世界各国在相关技术上的研发是方兴未艾。一般认为,相控阵天线是实现移动中通信天线的最佳选择,这是由于其快速的电子波束扫描能力,是移动中通信流畅的重要保证。阵列天线中一个关键的技术要求就是要寻找一个合适的天线单元来进行组阵。传统的接收天线往往使用抛物面型天线,其单元增益高,但体积过大导致载体运动的风荷过负。近年来,研究的热点倾向于微带天线的设计,这主要由于它的一系列优点如紧凑,小巧,低剖面,重量轻等。为了克服微带天线的固有缺陷如工作频带窄,增益低等,人们已提出了一系列相关的改进技术,常见如偶极子天线,印刷八木天线等。其中印刷偶极子天线以其优异的性能引起了广泛的关注,但传统的印刷偶极子天线难以组成大型天线阵列以获得高增益,满足卫星接收要求。针对此热点,本文研究了偶极子天线结合微带技术作为卫星接收天线的单元结构及其阵列设计,探讨了该类天线高增益宽带特性的设计要点,并就阵列天线的波束控制技术作了仿真讨论。首先概述了微带天线的相关背景及其工作原理,介绍了卫星接收天线的发展研究现状,对相关技术作了简要比较,简单介绍了双面印刷偶极子天线作为接收天线的性能。简要叙述文中使用的电磁模拟方法。在上述工作基础上,提出了新颖的同轴馈电偶极子天线结构并分析了该结构使用不同形状贴片作为偶极子臂的电性能。在32阵列天线上实现了中心频率处22.8dB的增益,小于-25dB的交叉极化和约20dB的前后比;在64阵列天线实现超过26dB的增益。同时,对该天线单元的增益提升作了可能性分析。另外,利用传统微带贴片天线结构设计了一个双贴片的天线,对比了该类型贴片天线不同的设计方法,利用此天线加工了8*32单元的的阵列天线,实测增益值最高超过28dB,达到了预期的目标。最后,对阵列天线波束的相位扫描与机械扫描作了分析,利用梯度算法仿真了信号受干扰情况下波束的指向控制过程,证实了系统在随机噪声环境中可通过相关算法保持波束对信号的稳定跟踪,实现相控阵的功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究背景和意义
• 1.3 卫星接收天线单元
• 1.3.1 微带天线简介
• 1.3.2 传统微带贴片天线
• 1.3.3 缝隙耦合天线
• 1.3.4 双面印刷偶极子天线
• 1.4 相控阵概述
• 1.5 本文的研究主要内容
• 第二章 微带天线和相控阵理论
• 2.1 微带贴片天线概述
• 2.1.1 微带贴片天线的辐射机理
• 2.1.2 微带贴片天线的常用分析方法
• 2.2 相控阵天线简介
• 2.2.1 相控阵的基本概念
• 2.2.2 相控阵的跟踪体制
• 2.3 本章小结
• 第三章 卫星接收天线设计
• 3.1 引言
• 3.2 同轴馈电印刷偶极子天线设计
• 3.2.1 天线结构
• 3.2.2 三角形贴片
• 3.2.3 矩形贴片
• 3.2.4 圆形贴片
• 3.3 阵列天线设计
• 3.3.1 圆形贴片阵列
• 3.3.2 三角形贴片阵列
• 3.4 单元天线增益提升探讨
• 3.4.1 三角形贴片单元
• 3.4.2 多贴片天线单元
• 3.5 双贴片天线研究
• 3.5.1 传统单矩形背馈天线
• 3.5.2 对称反相馈电天线
• 3.5.3 双梯形天线单元
• 3.5.4 双梯形天线阵列设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 相控阵算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 相控阵算法研究
• 4.2.1 梯度算法
• 4.2.2 算法验证
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的学术研究成果
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书