X波段宽带相控阵天线单元及阵列研究

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详细讲解了相控阵VIVALDI天线的单元设计及阵列组阵研究
上海交通大学硕士学位论文 在阵列技术方面,子阵分割与实时延迟线技术可改善其宽带性能,但 是同时也对副瓣电平等辐射特性产生不利影响 相控阵雷达带宽△与天线口径关系的表达式为 其中θ为主辦波束的宽度,O≈ 为天线口径为最大扫描 角。由式可知,天线口径较大时,雷达带宽很小,而口径较小时。带 宽则可以很人。所以对于小孔径天线,可以直接使用移相器但对于人孔径 天线系统,为了实现对远距离、多批次、小目标的观测,必须将天线系统 分成许多个小的子阵面,在子阵级别上采用实时延迟技术才能够保证足够 的带宽。 实时延迟技术是在把微波信号馈送到各个辐射单元时,由延时网络控制 信号传输到各阵元的时间以此来减小天线孔径渡越吋间,从而增加相控阼 仄线的瞬时带宽以及克服宽带信号引起的波束偏斜现象而采取的一种波束 控制的有效方法。就其实现途径来讲,既可以在高频、中频实现波束控 又可以在视频实现时间延迟,此外还可以采用光纤来实现实时延迟的波束 控制。 宽带宽扫描角相控阵天线还可以通过将天线分频段,减小单部天线带 宽,即通过多个阵面来实现,但是同时也増加了阵面规模和馈线网络的复 杂性。也可以采取利用非相似元的方法,如设计两和天线单元,分別工作 在全频段和高频段,将高频段天线单元穿插在全频段天线单元中,低频段 时全频段天线工作,高频段时两种天线同时工作,等效于改变单元的阵问 距,该方法可实现宽角扫描,且阵面规模小,馈线网络铰为简单,能有效 的利用雷达资源,允分发挥相控阵雷达的潜能 综上所述,宽带相控阡天线的设计需要考虑带宽、效率、副瓣屯平、阼 面尺寸以及经济性等多方因素的限制,从阵列天线单元、子阵划分、阵面 布局、馈电网络、口面场分布等方面寻求最优化设计。 宽带相控阵天线单元 超宽带天线 年, 提出了双锥天线。它可以简单的利用 万 第 上海交通大学硕士学位论文 程求解。如图所示,通过增加角,可在逐渐变宽的带宽内使输入阻抗 的电抗部分保持最小,同时,输入阻抗的实部变得对频率的改变不太敏感 这是关于一个天线几何结构中对角度的依赖大于对长度依赖的第一个例子 。如今,双锥天线和它的变形天线如圆锥形天线、蝶形天线等仍然被广泛 应用到系统中 图限长双锥天线示意图 对于传统的蝴蝶结天线来说,如图所示,它是双锥人线的平面化结 构,继承了双锥或锥的很多优点,如稳定的极化、无高频截止上的带宽等。 电流沜金属面径向分布,所以如果将金属闻改为若干条金属棒,在馈电点 处并联呈平面扇状,则可以具有同样的电流分布及辐射特性。蝴蝶结形天 线具有恒定阻抗,既有宽频带特性,特别是张角为°时,它属于自补结 构天线。自补的金属平板天线的金属面积恰好可填补其敞开的面积。自补 天线在所有的频率上都有恒定阻抗,即空间本征阻抗之半。但由于它是 由金属板制成,重量比较重,体积也不够小,很难实现现代科技所要求的 特点。采用微带天线,槽天线等形式就可以克服这些问题。 图传统蝴蝶结天线 第页 上海交通大学硕士学位论文 世纪年代之前,天线带宽一般不超过个倍频程。年代在宽频带 天线的发展上出现了一个突破,这就是由伊利诺大学 的拉姆西 于年提出的频率无关天线的概念。这类天线的经典形状包括戴 森 所研究的平面等角螺旋和圆锥螺旋结构;以及杜哈梅尔 和伊斯贝尔()所建议和发展的对数周期结构天线:还有年代提出 的阿基米德 平面螺旋天线等。这些天线的研制成功把天线带 宽扩展到或更大。目前在短波、超短波频段以及作为微波大线馈源等 方面,这类大线得到了广泛的应用 INCH 图等角螺旋天线 图背腔式阿基米德螺旋天线 Active Region Region for Finite Aetive Region( v Minimum Diameter a 图角锥螺旋大线 第页 上海交通大学硕士学位论文 天线是年 提出的一种按指数规律渐变的槽线天线 (如图),它是具有非周期结构连续逐渐变化的天线,因此,理论上, 有很宽的频带,这种天线是一种高增益,线极化,可以做成随频率变化 具有恒定增益的天线,在设计频段内具有相同的波束笕度。同时由于 锥槽天线是一种结构简单的平面天线,可以用印刷技术将它与其它 模块集成为一体,所以它被用于各种测量接收系统中,用来探测频率带宽 较宽的电磁波信号 F=C1·e RA 图 天线原型 锥槽天线的指数渐变曲线可用以下公式表示。 其屮, 在较大时,指数曲线的截断处使天线工作频带范围内的导波辐射出 去,而在较小时,天线中的导波能量会被束缚在天线的导体之间。天线 低频端的截止波长可以桷定为槽线最大宽度的倍,而人线的高烦端的特 性则受到槽线最窄处宽度的限制。 年 提出工作在匹配状态卜的槽线,如果槽线的宽度远 小于半个工作波长()时,槽线就不会辐射能量,此时的槽线可以作为 一种低损耗的传输介质 天线就是利用了宽度大于的槽线的特 性,在这种条件下,槽线可以明显的辐射能量。 天线是由较窄的槽 线过渡到较宽的槽线构成的,它是底端馈电的行波天线,将介质板上的槽 线宽度逐渐加大,形成喇叭凵向外辐射或向内接收电磁波。在不同的频率 上,它的不同部分发射或接收电磁波,而各个辐射部分的相对于对应的不 第页 上海交通大学硕士学位论文 同频率信号的波长的电长庋是不变的,所以,从理论上讲, 天线具 有很宽的工作频率带宽,在这个频率范围内具有相同的波束宽度 文章使用微带线到槽线的转换对天线进行馈电。微带线是非平衡线,而 天线是一种对称结构,对天线馈电的槽线是平衡线。这样就需要 个至少工作在两个或者更多个倍频程上的巴伦,如果巴伦是与频率无关的 将会取得更好的效果。 使用了一种从微带线到平行带线再到对称 双边槽线的馈电方式,构成了对踵 大线如图所小。 section E-E settion C-C 图从微带线到对称槽线的对踵 天线 兔耳”形天线最早是 和 于年提出的 如图)。天线由Ω平衡传输缝隙线馈入、经切比雪夫阻抗变换区, 使得张口偶极子翼的起始端阻抗过渡到Ω,然后由优化设计过的渐张角 区域{射出去。文章还给出了天线的不同外边缘尺寸对天线驻波的影响(见 图)。该类型天线相比 天线纵向尺寸大幅缩减,且交叉极化有明 显改善, 乱°TLH RIADULTION RHEBIaTUHCE E ENDHE LHCHNNAr BLooK OETECLRK SUBSTPLTE R严 OAwDE AHaHPEDAHCE 图“兔耳”形天线的结构示意图 第页 上海交通大学硕士学位论文 图 兔耳”形天线的外边缘对驻波的影响 发明了正弦天线,它结构紧凑、低轮廪而且频 带宽。它比螺旋天线要复杂,但它去可以提供相互交的刈线性板化。所 以,它可以作为极化分集大线或同时进行发送接收操作大线。这种大线的 工作原理与平面螺旋大线非常相似。 图正弦大线小意图 自以来,发明了许多种单极子盘片天线。盘片的形状有圆形、椭 圆形和梯形等,他们用简单的结构提供了非常宽的带宽。辐射单元被固定 在一个矩形的接地板上,并且用同轴线馈电源。单极子盘片天线是天 线中比较满意的天线。下面给出了垂直单极子盘片天线和微带印刷 单极子天线以及它们的频响测试数据 第页 上海交通大学硕士学位论文 d plane n back ig. L. Wertical disc monopole. Fig. 2. Micrasrip ine fed disc monopole 图垂直单极天线和微带馈线单极天线 15 ert cal 图 单极子天线的频率响应 w= w=2 图椭圆双极子天线模型及频率响应 近年来,天线工作者对宽缝隙进行了大量的研究,已提出了各种不同 形式的宽缝隙和馈源结构来展宽天线的驻波比带宽,从而使微带馈电印刷 缝隙天线挤身超宽带天线的行列,具有越来越广泛的应用前景。图给出 四种不同馈源结构的印刷缝隙天线。为型微带线馈源,在原本开路的微 带馈线末端添加了一个横向放詈的开路微带线,通过调节樻向枝节的长度 及其与缝隙中心的距离来达到展宽带宽的目的,冋得到的阻抗带宽。 为十字型馈源,相对于型结构,十字型馈源多了一个枝节,相当于引入一 个谐振电路,该天线的驻波比带宽可达为双十字型馈源,该馈源 在十字型的基础上又引入一个枝节,使得天线的带宽增人到。为带 第页 上海交通大学硕士学位论文 枝节扇形馈源,通过优化枝节的长度以及扇形的大小,可使天线的带宽达 到 比较以上的四种馈源,不难发现,可以通过改变馈源的结构适当 地引入多个谐振米提高天线的驻波比带宽。 / 形馈源 ()十字形馈源 ()双十字形馈源 ()带枝节扇形字形馈源 图不同馈源的微带馈电矩形缝隙天线 用中心脊对波导加载,由于降低其主模的截止频率而能加宽波导的可 用频带。非常薄的脊或者鳍也能冇效的作为中心脊加载,它可用外敷金属 的陶瓷片构成,便于安装于并联电路元件。将双脊结构从波导沿伸到棱锥 喇叭。国防科技大学的工建朋设计了按切比雪夫渐变的加脊双带线型 喇叭,如图所示。 fieqen GHz) 图加脊双带线型喇叭及驻波比 综丨所述,宽带大线单元可通过多谐振太组合或非谐振结构来实现,使 大线的方向特性、极化特性和阻抗特性符合宽带要求 选川相控阵天线单元,一般可考虑以下原则 阵元所要求的面积应足够小,以适应在允许的阵元间距和栅格内不 第页

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