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相控阵天线相位中心及卫星通信圆极化天线研究

陈曦  
【摘要】:随着相控阵技术的发展,相控阵天线已经被广泛的应用于军用和民用的雷达、通信、电子战、导航等领域。相控阵天线可以通过改变相邻阵元的相位差实现辐射方向图的波束控制。目前,大多数研究仅关心相控阵天线的幅度方向图特性,如增益、波瓣宽度、副瓣电平等。随着应用的深入和拓展,在一些领域对相控阵天线的技术指标提出了新的要求,如辐射场相位方向图特性以及阵列的相位中心特性。 另外,在卫星通信和卫星导航领域,圆极化天线因其可抑制雨雾的去极化效应和抗多径反射效应而被广泛应用。近年来,随着卫星通信技术的发展,对圆极化天线又提出了新的要求,如宽波束、宽频带、高增益、小型化等。在上述背景下,本文紧密结合课题需求,对相控阵天线的相位中心技术以及卫星通信圆极化天线技术进行了深入研究,主要研究内容包括以下几个方面: 1.建立了阵列天线相位方向函数与相位中心偏移量的关系。以阵列天线的远场表答式为基础,采用相位中心偏移量实验模型,建立了相位方向函数的变化关系,最后推导出上述关系式。此关系式表明相控阵天线可以看作一个整体来分析,但当相控阵参数变化时,相位方向函数会改变,进而影响相位中心的偏移量。 2.给出了相控阵天线二维、三维视在相心的求解方法。结合相控阵天线视在相心的定义,应用最小二乘法推导出了视在相心偏移量的表达式,据此编写了计算仿真软件,用于仿真计算相控阵天线不同工作模式和状态下的相位中心。 3.研究了相控阵天线在不同工作模式和状态下的相位中心。这些模式和状态包括:波束扫描、收发状态、存在幅相误差、存在移相器量化误差、频率变化、阵元影响。实验结论表明相控阵参数变化会造成相位中心的偏移,尤其幅相误差和移相器量化误差都会造成相位中心在z向较大偏移,且误差量越大,造成偏移量越大。 4.分析了测量误差对相位中心校准精度的影响。建立数学模型分析了相位中心横向与纵向的校准精度差别,以及主瓣宽度对校准精度的影响。最后证明,在测量精度有限且存在测量误差的情况下,相位中心很难唯一确定,若要提高校准精度,必须提高测量精度。 5.研究了一种宽波束自相移十字振子天线。天线采用自相移结构实现圆极化工作,应用反射底板和下倾振子技术实现了宽波束工作。理论上主极化波束宽度可以达到150°以上,3dB轴比带宽可达8.47%。该天线可用于卫星导航移动终端。 6.设计了一种UHF频段的卫星通信宽带圆极化八木天线。天线采用3dB分支线定向耦合器对两副正交的八木天线进行馈电,对3dB分支线定向耦合器进行了小型化设计,并对天线与馈电网络进行了一体化设计。天线的3dB轴比带宽达到24.3%,增益高于6dBic的带宽17%。天线样机的性能可以满足工程需要,目前天线已用于系统联试。 7.提出了一种圆极化孔环微带天线。天线采用馈电网络与孔环一体化设计,在不改变天线外形尺寸的前提下实现馈电网络两点馈电,馈电网络采用阿基米德螺旋线形式被设计在孔环内部。首次对该类天线的轴比特性进行了研究,得出寄生辐射片参数对轴比特性的影响规律。测试结果验证了天线的设计方法,3dB轴比带宽达到6%。这种将馈电网络设计在天线内部的方法也可应用在其他圆极化孔环天线的设计中。 8.研究了窄带圆极化TM21模孔环微带天线的两种实现方法。包括阻抗匹配,圆极化的实现。设计了两种工作在L频段的窄带圆极化TM21模孔环微带天线,分别采用一体化网络两点馈电结构和微扰法实现圆极化。两种天线均可在低仰角方向实现良好的辐射特性,可用于区域卫星导航或全球卫星导航系统的移动终端设备。另外,提出了宽带圆极化TM21模孔环微带天线的实现方法。采用寄生辐射片增加了工作带宽,反射系数小于-10dB的阻抗带宽达10.2%。其改进型采用“辐射碗”结构提高了低仰角增益,是一种有应用前景的卫星通信及卫星导航天线。


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