賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿

1、賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿李建新賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿一、引 言二、主要內(nèi)容三、陣列天線賦形波束設(shè)計(jì)理論四、波導(dǎo)裂縫天線賦形波束設(shè)計(jì)與試驗(yàn)五、雙彎曲反射面天線賦形波束設(shè)計(jì) 目 錄賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿在雷達(dá)、通訊等眾多領(lǐng)域中，往往需要特殊形狀的天線波束在雷達(dá)、通訊等眾多領(lǐng)域中，往往需要特殊形狀的天線波束( (如如余割平方波束、寬波束等余割平方波束、寬波束等) )，即賦形波束。，即賦形波束。賦形波束主要可通過二大類天線加以實(shí)現(xiàn)：賦形波束主要可通過二大類天線加以實(shí)現(xiàn)：陣列天線陣列天線( (波導(dǎo)裂縫天線波導(dǎo)裂縫天線) )反射面天線反射面天線可應(yīng)用于三坐標(biāo)雷達(dá)、目標(biāo)指示雷

2、達(dá)、二次航管雷達(dá)、星載和可應(yīng)用于三坐標(biāo)雷達(dá)、目標(biāo)指示雷達(dá)、二次航管雷達(dá)、星載和機(jī)載機(jī)載SAR、詢問機(jī)天線等領(lǐng)域。、詢問機(jī)天線等領(lǐng)域。 賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿主要內(nèi)容主要內(nèi)容 陣列天線賦形波束設(shè)計(jì)理論陣列天線賦形波束設(shè)計(jì)理論 波導(dǎo)裂縫天線賦形波束設(shè)計(jì)與試驗(yàn)波導(dǎo)裂縫天線賦形波束設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 雙彎曲反射面天線賦形波束設(shè)計(jì)雙彎曲反射面天線賦形波束設(shè)計(jì)賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.1 分類按陣元排列形式分類：v 等距v 不等距 等距陣復(fù)數(shù)加權(quán)波束賦形等距陣復(fù)數(shù)加權(quán)波束賦形 等距陣僅相位加權(quán)波束賦形等距陣僅相位加權(quán)波束賦形 不等距陣賦形波束設(shè)計(jì)不等距陣賦形波束設(shè)計(jì)3.2 重點(diǎn)

3、按幅相加權(quán)形式分類：v 復(fù)數(shù)加權(quán)v 僅幅度加權(quán)v 僅相位加權(quán)賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.3 等距陣復(fù)數(shù)加權(quán)波束賦形a) Woodward-Lawsona) Woodward-LawsonReference:呂善偉呂善偉. 天線陣綜合天線陣綜合M. 北京：北京航空學(xué)院出版社北京：北京航空學(xué)院出版社, 1988. 100-104.Hansen R C. Array pattern control and synthesisJ. Proceedings of the IEEE, 1992, 80(1): 141-151.單秋山單秋山, 等等. 一種天線陣方向圖綜合法一種天線陣方向圖綜合法J. 電子學(xué)報(bào)電

4、子學(xué)報(bào), 1994, 22(9): 93-95.1)孫茂友孫茂友. 離散陣的離散陣的W-S綜合法綜合法Woodward法改進(jìn)法改進(jìn)J. 電波傳播學(xué)報(bào)電波傳播學(xué)報(bào), 1995, 10(1,2): 166-171.Woodward-LawsonWoodward-Lawson是一種經(jīng)典綜合方法，綜合任何函數(shù)。是一種經(jīng)典綜合方法，綜合任何函數(shù)。適用于連續(xù)線源和離散線陣。適用于連續(xù)線源和離散線陣。 用諧波電流及其對(duì)應(yīng)場(chǎng)空間子波束或構(gòu)成函數(shù)的概念。用諧波電流及其對(duì)應(yīng)場(chǎng)空間子波束或構(gòu)成函數(shù)的概念。賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿Woodward綜合實(shí)例綜合實(shí)例 賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.3 等距陣復(fù)數(shù)

5、加權(quán)波束賦形b) Fourierb) Fourier變換法變換法Reference:呂善偉呂善偉. 天線陣綜合天線陣綜合M. 北京：北京航空學(xué)院出版社北京：北京航空學(xué)院出版社, 1988. 97-99.1)1)姜永權(quán)姜永權(quán). 基于基于IDFT的指定方向圖形狀的陣列綜合研究的指定方向圖形狀的陣列綜合研究J. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 1996, 16(2): 1-6. 有以下特點(diǎn)：有以下特點(diǎn)： 理想理想FFTFFT需無限長(zhǎng)源，所以長(zhǎng)陣比短陣有較好的近似性需無限長(zhǎng)源，所以長(zhǎng)陣比短陣有較好的近似性 方向圖有不連續(xù)點(diǎn)或某處數(shù)值變化很快，綜合的方向圖總會(huì)方向圖有不連續(xù)點(diǎn)或某處數(shù)值變化很快，綜合

6、的方向圖總會(huì)呈現(xiàn)振蕩形突跳呈現(xiàn)振蕩形突跳(Gibbs)(Gibbs)現(xiàn)象現(xiàn)象加窗加窗賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿Fourier應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例(8元元/16元元)賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿加窗應(yīng)用實(shí)例加窗應(yīng)用實(shí)例(20元元)Fourier加加Hamming窗窗Gibbs賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.3 等距陣復(fù)數(shù)加權(quán)波束賦形c) Orchard-Elliottc) Orchard-ElliottReference: Orchard H J, et al. Optimizing the synthesis of shaped beam antenna patternsJ. IEE Proceed

7、ings H, 1985, 132: 63-68. Kim Y U, Elliott R S. Shaped-pattern synthesis using pure real distributionsJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1988, 36(11): 1645-1649. 1) Rodriguez J A, et al. Extension of the Orchard-Elliott synthesis method to pure-real nonsymmetrical-shaped patternsJ. IE

8、EE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, 45(8): 1317-1318. 適用于線陣?？刂戚^靈活。適用于線陣?？刂戚^靈活。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 功率方向圖功率方向圖 SchelkunoffSchelkunoff多項(xiàng)式多項(xiàng)式 多解多解賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿Orchard-Elliott應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.3 等距陣復(fù)數(shù)加權(quán)波束賦形d) d) 數(shù)值方法數(shù)值方法 Reference: Orchard H J, et al. Optimizing the synthesis of shaped beam

9、antenna patternsJ. IEE Proceedings H, 1985, 132: 63-68. Conjugate gradient Conjugate gradient Reference: Fong T S, et al. Method of conjugate gradients for antenna pattern synthesisJ. Radio Science, 1971, (6): 1123-1130. Genetic algorithms Genetic algorithms Reference: Marcano D, Duran F. Synthesis

10、of antenna arrays using genetic algorithmsJ. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2000, 42(3): 12-20. Iterative sample Iterative sample 賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.4 等距陣僅相位加權(quán)波束賦形a) Stationary phasea) Stationary phaseReference: Chakraborty A, et al. Determination of phase functions for a desired one-dimensional p

11、atternJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1981, 29(3): 502-506.1) Chakraborty A, et al. Beam shaping using nonlinear phase distribution in a uniformly spaced arrayJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1982, 30(5): 1031-1034. 根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和已知幅度分布，給出相位分布的積分表達(dá)根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)和已知幅度分布，給出相位

12、分布的積分表達(dá)式，應(yīng)用于陣列時(shí)進(jìn)行離散抽樣式，應(yīng)用于陣列時(shí)進(jìn)行離散抽樣。 解析法。解析法。賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿Stationary phase法實(shí)例法實(shí)例相位分布相位分布扇形波束扇形波束賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.4 等距陣僅相位加權(quán)波束賦形b) Beam-shape transformationb) Beam-shape transformationReference: 胡錦林胡錦林, 林世明林世明. 陣列天線波束形狀轉(zhuǎn)陣列天線波束形狀轉(zhuǎn)換的方法換的方法J. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)電波科學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 9(4): 89-93. 一種數(shù)值迭代算法一種數(shù)值迭代算法。 實(shí)例實(shí)例(40元

13、線陣元線陣)賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.4 等距陣僅相位加權(quán)波束賦形c) Null perturbationc) Null perturbationReference:1) Trastoy A, Ares F, Moreno E. Phase-only control of antenna sum and shaped patterns through null perturbationJ. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2001, 43(6): 45-54. 適用于具有等幅或適用于具有等幅或TaylorTaylor分布的線性或圓口徑分布的線性或圓

14、口徑 可實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱副瓣賦形、低副瓣和平坦波束可實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱副瓣賦形、低副瓣和平坦波束 用用Simulated annealing algorithmSimulated annealing algorithm迭代迭代賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿等幅線源不對(duì)稱副瓣賦形等幅線源不對(duì)稱副瓣賦形(10)相位分布相位分布賦形波束賦形波束賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿等幅線源降低副瓣電平等幅線源降低副瓣電平(10)相位分布相位分布低副瓣低副瓣賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿線源幅度分布為線源幅度分布為-25dB的的Taylor分布，分布，nb=7，不對(duì)稱賦形，不對(duì)稱賦形相位分布相位分布賦形波束賦形波束賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿線源幅度分布為線源

15、幅度分布為-25dB的的Taylor分布，分布，nb=7，平坦波束，平坦波束相位分布相位分布平坦波束平坦波束賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.4 等距陣僅相位加權(quán)波束賦形d) Adaptive array theoryd) Adaptive array theoryReference: Dufort E C. Low sidelobe electronically scanned antenna using identical transmit/receive modulesJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1988, 36(3): 34

16、9-356. Dufort E C. Pattern synthesis based on adaptive array theoryJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1989, 37(8): 1011-1018. Li J X, Guo Y C. Phase-only pattern shaping for phased array antennasJ. 現(xiàn)代雷達(dá)現(xiàn)代雷達(dá), 1993, 15(6): 65-71. 1) 李建新李建新. 陣列部分單元相位加權(quán)波瓣綜合陣列部分單元相位加權(quán)波瓣綜合J. 2001, 16(4): 43

17、3-436. 適用于任意幅度加權(quán)線陣，是一種迭代算法適用于任意幅度加權(quán)線陣，是一種迭代算法 可實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱副瓣賦形、寬凹口可實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱副瓣賦形、寬凹口 部分單元僅相位加權(quán)部分單元僅相位加權(quán)賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿基于自適應(yīng)陣列理論賦形實(shí)例基于自適應(yīng)陣列理論賦形實(shí)例(32元，相位分布反對(duì)稱元，相位分布反對(duì)稱)寬凹口寬凹口不對(duì)稱副瓣不對(duì)稱副瓣賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.4 等距陣僅相位加權(quán)波束賦形e) e) 其它數(shù)值方法其它數(shù)值方法 Genetic algorithmGenetic algorithmReference: Marcano D, Du

18、ran F. Synthesis of antenna arrays using genetic algorithmsJ. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2000, 42(3): 12-20. (復(fù)加權(quán)復(fù)加權(quán)) Boeringer D W, Werner D H. Adaptive mutation parameter toggling genetic algorithm for phase-only array synthesisJ. Electronics Letters, 2002, 38(25): 1618-1619. 1) 徐慧徐慧,

19、 李建新李建新, 胡明春胡明春. 星載星載SAR波束展寬研究波束展寬研究A. 2005年中國(guó)合成孔徑雷達(dá)會(huì)議論文集年中國(guó)合成孔徑雷達(dá)會(huì)議論文集C. 南京南京: 中國(guó)電子學(xué)會(huì)無線電定位技術(shù)分會(huì)中國(guó)電子學(xué)會(huì)無線電定位技術(shù)分會(huì), 2005. 27-31. Particle swarm optimizationParticle swarm optimizationReference: Boeringer D W, Werner D H. Particle swarm optimization versus genetic algorithms for phased array synthesisJ.

20、IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2004, 52(3): 771-779. 賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.5 不等距陣賦形波束設(shè)計(jì)Reference:1) Unz H. Linear arrays with arbitrary distributed elementsJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1960, (8): 222-223. 不等距陣列天線分析起源于不等距陣列天線分析起源于UnzUnz的研究，引入的研究，引入JacobiJacobi展開式，根展開式，根據(jù)矩陣公

21、式得到不等距線陣輻射特定方向圖所需的電流分布。據(jù)矩陣公式得到不等距線陣輻射特定方向圖所需的電流分布。 Reference: Ishimaru A. Theory of unequally-spaced arraysJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1962, 10(6): 691-702. 1) Ksienski A, Ishimaru A. Comment on Theory of unequally-spaced arraysJ. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,

22、1963, 11(5): 591. IshimaruIshimaru等的經(jīng)典分析基于等的經(jīng)典分析基于PoissonPoisson求和公式，參考文獻(xiàn)中討論求和公式，參考文獻(xiàn)中討論了均勻激勵(lì)不等距陣旁瓣抑制，并指出該方法適用于波導(dǎo)裂縫行波了均勻激勵(lì)不等距陣旁瓣抑制，并指出該方法適用于波導(dǎo)裂縫行波陣陣( (不等距不等距) )設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)。 賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿3.5 不等距陣賦形波束設(shè)計(jì)Reference: Kumar B P, Branner G R. Design of unequally spaced arrays for performance improvementJ. IEEE Transa

23、ctions on Antennas and Propagation, 1999, 47(3): 511-523. 19991999年年KumarKumar等人用簡(jiǎn)單反演算法對(duì)不等距陣列進(jìn)行賦形綜合。等人用簡(jiǎn)單反演算法對(duì)不等距陣列進(jìn)行賦形綜合。確定綜合問題確定綜合問題 期望方向圖期望方向圖LegendreLegendre變換變換 產(chǎn)生回歸方程產(chǎn)生回歸方程 利用反演算法綜合電流分布和單元位置利用反演算法綜合電流分布和單元位置 該方法分四步走：該方法分四步走： 賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿反演算法平坦波束賦形反演算法平坦波束賦形(19元元)賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿4.1 波導(dǎo)裂縫天線特點(diǎn)o

24、駐波陣：等距，只能實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)加權(quán)，如寬波束駐波陣：等距，只能實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)加權(quán)，如寬波束o行波陣：等距或不等距，理論上能實(shí)現(xiàn)任意加權(quán)行波陣：等距或不等距，理論上能實(shí)現(xiàn)任意加權(quán) 選用波導(dǎo)行波裂縫陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選用波導(dǎo)行波裂縫陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 。4.2 波導(dǎo)行波裂縫天線設(shè)計(jì)與試驗(yàn)選用兩個(gè)波導(dǎo)行波裂縫陣列天線進(jìn)行驗(yàn)證，分別實(shí)現(xiàn)扇形波束和選用兩個(gè)波導(dǎo)行波裂縫陣列天線進(jìn)行驗(yàn)證，分別實(shí)現(xiàn)扇形波束和余割平方波束余割平方波束。賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿4.2 波導(dǎo)行波裂縫天線設(shè)計(jì)與試驗(yàn)a) a) 扇形扇形( (平坦，寬平坦，寬) )波束指標(biāo)波束指標(biāo) 頻率：頻率：

25、9.6GHz 9.6GHz 長(zhǎng)度：長(zhǎng)度：1.5m 1.5m 波瓣寬度：波瓣寬度：2020 副瓣：副瓣：-20dB-20dB賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿扇形波束計(jì)算結(jié)果扇形波束計(jì)算結(jié)果賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿扇形波束近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果扇形波束近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果9080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100

26、-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-60賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿4.2 波導(dǎo)行波裂縫天線設(shè)計(jì)與試驗(yàn)b)b)余割平方波束指標(biāo)余割平方波束指標(biāo)頻率：頻率：9.6GHz 9.6GHz 長(zhǎng)度：長(zhǎng)度：

27、1.5m 1.5m 賦形區(qū)域：賦形區(qū)域：3 32323 副瓣：副瓣：-20dB-20dB賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿余割平方波束計(jì)算結(jié)果余割平方波束計(jì)算結(jié)果賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿余割平方波束近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果余割平方波束近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果9080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100-10-20-30

28、-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-609080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-900-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-60賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿5.1 特點(diǎn)地對(duì)空搜索雷達(dá)天線，通常要求在方位(水平)面內(nèi)產(chǎn)生窄波束，但在俯仰(垂直)面內(nèi)產(chǎn)生預(yù)先指定的波束，即賦形波束。在

29、俯仰面內(nèi)能產(chǎn)生特定的方向圖之反射面，通常有兩大類，一是柱形的，另一是非柱形的。前者稱為賦形單彎曲反射面，后者稱為賦形雙彎曲反射面。主天線、詢問機(jī)天線可共用反射面，結(jié)構(gòu)緊湊主天線、詢問機(jī)天線可共用反射面，結(jié)構(gòu)緊湊天線水平副瓣低，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力天線水平副瓣低，從而提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力天線垂直波瓣賦形性能好，可實(shí)現(xiàn)超余割平方波束，提高了天線垂直波瓣賦形性能好，可實(shí)現(xiàn)超余割平方波束，提高了近距離近距離( (高空高空) )的信雜比，從而提高了目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力的信雜比，從而提高了目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力采用該天線的雷達(dá)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)采用該天線的雷達(dá)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)賦形波束天線設(shè)計(jì)講稿5.2 設(shè)計(jì)步驟中截線設(shè)計(jì)中截線設(shè)計(jì) 俯仰面形成賦形波束。俯仰面形成賦形波束。用條帶理論構(gòu)造反射面用條