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《西安电子科技大学》 2007年
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星载有限电扫描天线阵列馈源的研究

陈腾博  
【摘要】: 为适应卫星通信发展的需求,卫星通信系统要求星载天线不仅能够生成高质量的点波束,而且需要具有在其服务区内进行快速灵活的波束扫描的能力。本文密切结合预研项目“星载多波束及可控点波束天线”,研究了星载天线阵列馈源的分析和设计。作者的主要工作和创造性成果可概括为以下几个方面: 1.对馈源阵列的组成单元形式进行了研究,根据工程设计提出的双频段工作、易于实现圆极化收发和天线方向图圆对称性较好等要求,分别设计了螺旋天线、阿基米德平面螺旋天线和光壁圆锥喇叭天线。采用电磁仿真软件对天线进行了仿真计算,得到在要求频段内各天线的电性能参数。设计了一种低副瓣轴向模螺旋天线,仿真分析和实验测试结果说明在要求的频带范围内该天线驻波比小于1.15,天线方向图的最大副瓣电平低于-25dB。提出了一种双频段工作的光壁圆锥喇叭天线的设计方法,该天线具有良好的双频段工作特性以及较高的增益,可满足卫星通信的需要。 2.对阵列馈源的综合方法进行了详细分析,研究了非线性最小二乘法和粒子群(PSO)算法。阐述了解决非线性最小二乘问题常用的两种方法:Gauss-Newton法和Levevberg-Marquardt法。通过对一个实际最小二乘问题的求解,研究了非线性最小二乘法的算法流程和主要优缺点。对粒子群算法进行了深入的研究,针对标准粒子群优化算法的一些缺陷,提出了一种改进型粒子群算法。该算法有效地解决了粒子群早熟收敛和搜索精度不高的缺点,通过对检验函数进行数值计算并与其它改进型粒子群算法进行比较,说明本文提出的新型粒子群算法的优越性。 3.对阵列馈源的馈电网络进行了研究。提出了多波束形成、波束隔离、波束扫描控制、收发双工和双频双圆极化的设计方法。在分析过程中,采用了电磁场辐射理论、微波网络理论、波导模式理论、滤波器理论和工程最优化理论,对馈电网络的部件进行了优化设计。设计了双频双圆极化器、正交模耦合器、窄带滤波器等元件,仿真分析结果说明文中设计的馈电网络可以实现双频双圆极化收发,上下行信号之间的隔离度大于70dB。 4.研究了星载天线阵列馈源的阵列综合设计。分析了几种阵列排阵形式,包括六边形阵列、圆环阵列等阵列结构形式。分析了阵列单元在阵列中的位置以及幅相分布对馈源阵列辐射方向图的影响,以上述的各个参数为设计变量,采用粒子群算法对阵列进行优化综合,在0°~360°方位角任意截面上都能得到理想的赋形方向图包络,设计结果表明六边形阵列馈源可以在双频段工作。对在所要求角域内阵列馈源的波束扫描进行了分析,列出了波束指向不同扫描角时的辐射方向图以及阵列单元的控制相位。文中还设计了一个平面二维天线阵列,阵列天线方向图的远场测量结果与优化综合得到的天线方向图非常逼近。该章最后将馈源阵列与标准侧馈双反射面天线结合起来进行一体化设计,通过仿真计算得到较好的远场辐射特性。 5.研究了馈源阵列单元之间的互耦效应对阵列辐射特性的影响。互耦效应的存在使得每个阵元的方向图与其在阵中的位置有关,波束形状各不相同。文中借助仿真软件对阵列天线进行仿真综合,得到单元之间的互阻抗矩阵,计算出阵列馈源单元的有源散射系数。当优化综合得到天线的最优化幅相分布后,可以通过对散射系数矩阵求逆得到需要的单元入射电压幅值。 6.讨论了馈源阵列的容差分析,通过微扰法对各个组成部分进行检验,尽可能将设备精度和环境因素对馈源电特性的影响降至最低。采用概率论的方法,分析了馈电网络的随机幅相误差和量化幅相误差对天线增益、副瓣电平和波束指向等参数的影响,并计算了在不同量化误差时,馈源阵扫描状态下的方向图,得到了移相器和衰减器的精度对馈源方向图的影响。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN821

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 曹海林;深空测控通信大天线技术研究[D];重庆大学;2010年
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 石书济;深空探测与测控通信技术[J];电讯技术;2001年02期
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【二级引证文献】
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1 盖硕;无线局域网天线的设计与实现[D];西安电子科技大学;2011年
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【二级参考文献】
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