在研究馈电网络和天线阵列方面,本文提出了一个基于相位器的差分馈电网络,旨在实现均匀扫描的天线阵列。这种技术在雷达、成像和谱图分析等领域具有广泛的应用。馈电网络的均匀性直接影响天线阵列的扫描性能和波束指向精度,因此一直是研究的热点。
在传统的天线阵列设计中,通过改变阵列中相邻元件之间的相位差来实现波束的扫描。这种相位差通常与频率有关,因此波束的扫描角度也随频率变化。然而,在这种传统方法中,控制扫描角度随频率变化的规律并非易事。本文提出了一种新的馈电网络架构,可以提供均匀的频率扫描功能。这种馈电网络基于相位器,它们可以展示任意控制的群延迟与频率响应关系,而这种特性最近被用于实时模拟信号处理中。
本文的研究工作是围绕一个线性阵列天线展开的,其中相邻阵元之间存在频率依赖的相位差(∆𝜑(𝜔))。该线性阵列天线的主波束方向对应于所有阵元以相同相位辐射时的角θ,即满足方程:
0 = 𝑘𝑑sin𝜃 + ∆𝜑(𝜔),
通过简单的三角运算可以得到:
𝜃 = −sin⁻¹(𝑐∆𝜑(𝜔)/𝜔𝑑)。
这里,波束角θ是频率𝜔的函数。为了实现均匀频率扫描,需要满足线性关系:
𝜃 = 𝑎(𝜔 − 𝜔₀),
其中a是任意常数,需要指定,𝜔₀是天线的中心辐射频率。将上述线性关系插入第二个方程,可以得到所需的相位差:
∆𝜑(𝜔) = −𝜔𝑑𝑐sin[𝑎(𝜔 − 𝜔₀)]。
上述提到的馈电网络由一个Wilkinson功率分配器和一个TEM传输线组成,其中一端连接有相位器,另一端连接有TEM传输线。该网络可以扩展到任意频率扫描规则,例如,文中给出的例子是天线在4-6GHz的频率范围内可以均匀扫描,角度从-60度到60度。
在本文的研究中,线性阵列天线的每个阵元之间都有固定的间隔d。相邻阵元之间的频率依赖相位差∆𝜑(𝜔)与波束扫描角度θ有密切关系。对于均匀扫描的实现,波束扫描角度θ与频率的关系需要呈现线性变化,该线性关系是通过精心设计的馈电网络实现的。
为了解决这个问题,本文中提出的方法是采用并联馈电方法来实现所规定的分散相位差。这种方法替换了传统的公司馈电网络中的每一个节点。并联馈电方法可以提供所需的分散相位差∆𝜑(𝜔),从而使主波束能够在不同频率下扫描到预定的角度。
本文中的并联馈电结构,通过将传统公司馈电网络的每个节点替换为这种新设计的结构,使得线性阵列天线可以在指定的频率范围内实现均匀的扫描。由于这种馈电网络的设计基于相位器的群延迟特性,因此可以提供更高的灵活性和控制精度。
通过实际的例子,文中证明了所提出的馈电网络结构具有实现均匀频率扫描的能力。这种馈电网络设计方法的应用可以大大提升天线阵列在无线通信和雷达系统中的性能。特别是在现代通信系统中,对于相控阵天线的波束扫描能力有更高的要求,而本文提出的基于相位器的馈电网络为这一领域提供了新的研究方向和实践案例。