電子工程學(xué)院研究生論文綜述高金瑞

1、電子工程學(xué)院研究生論文綜述姓名：高金瑞學(xué)號：200820201060學(xué)科：電磁場與微波技術(shù)綜述題目：稀疏化相控陣實(shí)現(xiàn)研究論文綜述導(dǎo)師意見：導(dǎo)師簽字：日期：陣列稀疏技術(shù)是指從線陣或面陣中去掉一些輻射單元，目的在于降低天線造價(jià)。這種技術(shù)能在系統(tǒng)造價(jià)增加最少的情況下保證測角精度。稀疏陣的設(shè)計(jì)方法是按某一規(guī)則在滿陣的輻射單元位置保留或去掉輻射單元。稀疏陣中單元的位置一種是完全隨機(jī)確定，另一種是根據(jù)有規(guī)則格柵結(jié)構(gòu)確定。與陣列單元完全隨機(jī)配置的設(shè)計(jì)相比，用規(guī)則柵格作輻射單元位置有三個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：第一，可以采用成本較低的，行列波控技術(shù)；第二，能更好地控制陣列天線波瓣圖設(shè)計(jì)；第三，可以簡化陣列結(jié)構(gòu)，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、。在稀疏陣中不放置輻射單元的位置上并不是空的，而是放置了虛單元(無源單元)。這些虛單元的存在使有源單元具有與滿陣情況一樣的周圍環(huán)境。有源單元后接TR組件，無源單元后接負(fù)載。正是由于有源單元不規(guī)則布置，造成天線結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，使得稀疏陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同于一般的相控陣天線。 隨著衛(wèi)星通信、遙測、遙控技術(shù)的發(fā)展，原始的線極化天線已經(jīng)面臨著云雨干擾、劇烈震動(dòng)、影響重疊等問題帶來的挑戰(zhàn)，而圓極化天線由于其極化性能可以在面對這些外來因素干擾時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，從而滿足在通信、雷達(dá)、電子對抗、電視廣播等方面的更嚴(yán)格更精密的探測或傳輸要求。因此，對于圓極化天線的研究有著重大而深遠(yuǎn)的意義。 在圓極化的電磁特性

3、中，我們著重考慮其以下的一些優(yōu)勢： 一是任意的極化電磁波均可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波，如對于線極化波來說，可以分解為兩個(gè)反向等幅的圓極化波。因此，任意極化的電磁波均可被圓極化天線接收，而圓極化天線發(fā)射的電磁波則可被任意極化的天線接收到。這樣，就為高效、準(zhǔn)確、快速傳輸數(shù)據(jù)提供了一個(gè)很好的傳輸平臺。 二是圓極化波入射到對稱目標(biāo)時(shí)，其反射波會發(fā)生旋向反轉(zhuǎn)。圓極化波探測的目標(biāo)一般是比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它對圓極化波的反射波是橢圓極化波從而具有同旋向的圓極化波成分。正是由于這個(gè)特性，圓極化波工作狀態(tài)下的雷達(dá)具有抑制雨霧干擾的能力。這在電子偵察和干擾方面具有重大的戰(zhàn)略意義。天線實(shí)現(xiàn)圓極化的方法一般分為2類：

4、(1)通過雙饋點(diǎn)或多饋點(diǎn)設(shè)置不同的饋電相位來實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)圓極化的效果很大程度上取決于相移電路，增加了天線系統(tǒng)復(fù)雜度和制造成本。(2)通過在同一副天線上實(shí)現(xiàn)不同的諧振模式來實(shí)現(xiàn)圓極化，這種方法不需要相移電路和多個(gè)饋點(diǎn)，饋電電路結(jié)構(gòu)簡單，但對天線輻射單元的設(shè)計(jì)精度要求較高。因此選擇電磁仿真算法尤其重要。能夠作為圓極化相控陣天線陣元的有交叉偶極子（十字交叉振子、折尾十字交叉振子、振子臂向后傾斜45°的交叉偶極子等）、圓形或方形波導(dǎo)（加圓極化器）以及螺旋線等。單元天線對陣列具有調(diào)制作用，對大范圍掃描的相控陣天線陣，需要單元波束盡可能的寬。波導(dǎo)形式的陣元比較適用于工作在比較高頻率，通常采用方

5、或圓波導(dǎo)及其變形。由于陣元兩個(gè)方向尺寸相同，故當(dāng)要求寬帶寬掃描角掃描時(shí)，波導(dǎo)必須加載。也可采用矩形波導(dǎo)，但是由于對稱性的不足，使得在平行于波導(dǎo)長邊和短邊的兩個(gè)掃描平面內(nèi)匹配要求和特性是不相同的。波導(dǎo)型陣元口徑場易于用解析函數(shù)表示，因而能用計(jì)算方法設(shè)計(jì)，容易使性能達(dá)到最佳，適合寬帶要求，并且結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度好等。雙臂螺旋天線全向波束增益的最大值在水平面上，而蝶形天線的波束的最大值偏離了水平面并且在水平面的正上方有一定的增益，可以以犧牲天線的增益為代價(jià)，通過改變螺旋天線的參數(shù)來擬制低仰角的輻射同時(shí)增大正上方的輻射增加上半空問的波束寬度實(shí)現(xiàn)寬波束4。此外，日本學(xué)者Hisamatsu 在研究中發(fā)現(xiàn)少

6、匝數(shù)和小螺距角相結(jié)合的螺旋天線同樣可以輻射良好的圓極化波89。圖1-1，圖1-2是螺旋天線的幾種單元形式。圖1-1 雙臂螺旋天線 圖1-2低剖面螺旋天線構(gòu)成的平面陣及其單元陣列分析中單元間互耦在設(shè)計(jì)中是不能忽視的，圖1-3顯示了陣列中單元相互之間的互耦?；ヱ钍侵萍s著陣列天線性能的一個(gè)重要因素。嚴(yán)重的互耦會導(dǎo)致天線在某些掃描角上輻射波完全對消，而導(dǎo)致陣列盲區(qū)現(xiàn)象。進(jìn)行必要的互耦分析是陣列天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。相控陣天線的嚴(yán)格的理論分析方法可以分為兩種：逐元法和無限陣的方法。逐元法計(jì)算結(jié)果相對精確，但這種方法只適用于小陣的分析，當(dāng)陣列規(guī)模較大時(shí)，逐元法變得非常復(fù)雜，計(jì)算效率非常低。因此逐元法

7、的工程應(yīng)用價(jià)值非常有限。無限陣的方法是分析大型相控陣的有效方法，由于實(shí)際的相控陣天線往往有相當(dāng)多的輻射單元，對于陣列中個(gè)一個(gè)單元來說，它的周圍有許多其他單元。理論分析和實(shí)際測量都說明，對一個(gè)單元有實(shí)際影響的只是它附近的幾個(gè)單元。其他相距較遠(yuǎn)的單元影響都很小。因此在研究一個(gè)大陣列中的單元時(shí)，除了位于陣列邊緣的單元以外，都可以認(rèn)為它是位于無限陣列中的一個(gè)單元。其次無限陣列所輻射的電磁波是均勻平面波，它是電磁波中最簡單的一種波，便于對它進(jìn)行分析。無限陣列又是一種周期結(jié)構(gòu)，因此可以應(yīng)用Floquet定理求解陣列上部空間的場。求出陣列波瓣在掃描時(shí)的有效導(dǎo)納或阻抗與掃描角、單元間距等參量的關(guān)系，各單元的互

8、耦分析問題也就解決了。圖1-3 單元間的互耦除了理論方法，也可采用實(shí)驗(yàn)的方法分析。小陣分析方法是分析大型陣列應(yīng)用較多的方法。按照選用的單元形式建造一個(gè)小型陣，用小陣中心的單元的性能來預(yù)測大陣元的性能。其準(zhǔn)確程度取決于小陣的單元數(shù)目。通常小陣的單元數(shù)有11x11，9x9，不等。其原則是用盡量少的單元，測得必要的性能，進(jìn)而能對大型陣列的性能進(jìn)行分析預(yù)測。確定互耦是利用散射參量法。其基本方法是，首先構(gòu)成一個(gè)能反映一定耦合程度的小陣，在單元j輸入激勵(lì)，其他單元i接匹配負(fù)載的條件下，通過（仿真）測量兩個(gè)陣列單元的Sij參數(shù)來確定其互耦大小（見圖1-3）。有源反射系數(shù)有源反射系數(shù)可以用散射矩陣S的元素和激

9、勵(lì)向量a的元素表達(dá)： （1.1）其中代表單元j在陣列中的坐標(biāo)，是自由空間的波數(shù)，是陣列單元數(shù)，為掃描角。在陣中選取三個(gè)子陣進(jìn)行仿真（測量），如圖1-4所示，一個(gè)在陣列中間，其余的位于邊緣。每一個(gè)子陣中的仿真（測試）單元和其他單元的耦合系數(shù)均要得到。如子陣1為11×11的陣列，121個(gè)單元在工作頻段內(nèi)將得到120個(gè)耦合系數(shù)。圖1-4 確定耦合系數(shù)的三個(gè)子陣選取掃描特性的測量根據(jù)式（1.1）分析陣列單元的有源反射系數(shù)。圖4-4是文獻(xiàn)7在中心頻率處根據(jù)理論推算的測量有源反射系數(shù)。圖中可以看出實(shí)測結(jié)果曲線沿著無限陣的計(jì)算結(jié)果曲線上下波動(dòng)。顯然這是因?yàn)橹粶y量了有限個(gè)單元的耦合系數(shù)的緣故。通過測

10、量和計(jì)算結(jié)果的對比可得出結(jié)論，陣列可以在0.3范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)方位面和水平面120°的掃描。圖1-5 子陣1的E面H面中心單元有源反射系數(shù)的理論值和實(shí)測結(jié)果(f=)與有源反射系數(shù)密切相關(guān)的是陣列的掃描損耗。計(jì)算公式為： （1.2)由上式可知，匹配良好的陣列的掃描損耗為的余弦分布。單元方向圖的仿真（測量）對互耦影響的分析，可通過確定陣列天線的有源單元方向圖來進(jìn)行。除了測試單元其他單元都接匹配負(fù)載，分別對E面（=90°）、H面（=0°）和D面（=60°）方向圖進(jìn)行了測量。圖1-6是在f=下，測得的靠近陣列中心的64個(gè)單元的H面單元方向圖。圖1-7是取其中的一個(gè)單元

11、的單元方向圖與無限陣分析的結(jié)果對比。兩幅圖中可以看出，單元方向圖因?yàn)榛ヱ钚?yīng)和陣列邊緣的衍射而導(dǎo)致的波動(dòng)。圖1-6 64個(gè)單元的H面測量單元方向圖（f=）圖1-7 H面單元方向圖的理論值和測量值（f=）陣列性能計(jì)算從測得的單元方向圖，完整的陣列輻射特性可以得到，總的方向圖和單元方向圖的關(guān)系如式（4.4）。 （1.3）其中 。從文獻(xiàn)7結(jié)果（圖1-8）來看，利用單元方向圖綜合出來的總的方向圖和測試結(jié)果較為吻合。 圖 1-8 文獻(xiàn)7結(jié)果參考文獻(xiàn)1林昌祿,宋錫明.圓極化天線.北京:人民郵電出版社,1986: 852Gangadharan,T.S.Broadband end launcher for X

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