学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高功率线极化径向线阵列天线研究

作　者: 王欣
导　师: 刘庆想
学　校: 西南交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 高功率阵列天线径向线线极化水平单圆环天线
分类号: TN820.15
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 275次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

对于新兴的高功率微波领域,高功率微波辐射技术的发展成为该领域发展的一个重要部分。由于高功率微波的一些特殊性质,对高功率微波天线也提出了一些特殊的要求。从径向线阵列天线的广泛调研可知,早期的径向线阵列天线多采用缝隙作为辐射单元,缝隙单元通过一定的排列组合可实现线极化或圆极化微波辐射,后期也有采用贴片微带天线和短螺旋天线作为辐射单元,但由于这些天线中存在着慢波结构或介质,使其无法应用于高功率微波领域。然而,随着高功率微波天线的发展,近些年来,种新型的高功率径向线螺旋阵列天线首次将径向线阵列天线引入到高功率微波领域,探索了高功率微波领域中一种新的天线形式。该天线通过采用新型的耦合探针,避免了介质的引入,为实现高功率径向线阵列天线奠定了基础,同时,这种天线自身具有体积小,效率高、功率容量大等特点,使其成为高功率微波天线发展的一个趋势,但这种阵列形式只实现了高功率圆极化波的辐射,因而,实现高功率线极化微波辐射的径向线阵列天线就成为另一个重要的研究内容。本文就以此为着眼点,以径向线馈电为基础,首次提出高功率线极化径向线阵列天线,并对其进行探索和研究。新型耦合探针的应用要求单元天线为同轴馈电,因此,同轴馈电的线极化单元天线成为首要研究的内容。首先,文中根据径向线馈电系统及整体天线特性对线极化单元提出了一系列要求；其次,依照要求对相关的线极化天线进行了探索研究,主要包括两方面：一方面,一些基本的包括电偶极子、环天线等形式最简单的线极化天线,以及在这些形式上探索、思考、拓展得到的新型单元天线形式；另一方面,探索圆极化合成线极化波的天线形式。最后,通过对比,选择各项特性均满足要求的水平单圆环线极化天线作为辐射单元。为了实现阵列天线轴向最大辐射,以及满足线极化单元激励要求,单圈圆环栅格布局径向线阵列天线成为首选且相对简单的形式,该布局中探针耦合处径向位置相同,耦合波满足等幅同相。但由于该布局中单元数目有限,天线增益相对较低,为了提高增益,需要增加单元数目,扩大圆环圈数,简单的单圈圆环栅格布局就不再满足要求。然而,采用多圈圆环栅格布局实现高功率线极化径向线阵列天线,其中存在着一个关键的问题：即：一方面,只有在径向线内微波路径上间隔为一个波导波长的径向位置处,耦合波的相位差为±2π(实际上是相同的),在这些位置上通过调节耦合波幅度使达到一致,激励相同的单元,就可实现阵列天线最大线极化辐射合成场强；而另一方面,又由平面阵列天线的特性可知,当阵列间距为一个波导波长时,将在可见空间内可能不止出现一个栅瓣,为了抑制栅瓣,必须在一定的范围内减小单元间距,这必然使得耦合口处存在着一定的相位差(不为±2π),激励相同的辐射单元就不能实现等幅同相激励。这两方面之间的矛盾即为问题的所在,因此,为了提高阵列天线的增益,则必须解决这一问题。经过分析,针对这一关键问题提出两种解决方案,方案一：径向线串联馈电,该方案中仍采用圆环栅格布局,但馈电径向线发生了一定的弯曲,以增加径向线内部的波程,合理的调节尺寸后可以使每圈相位差2π,达到等幅同相激励线极化单元天线；方案二：径向线并联馈电,该方案通过改变阵列天线栅格形式、利用多层馈电组合的方式,使馈电系统中每一条微波路径均匀相同,达到等幅同相激励线极化单元。鉴于方案一中弯曲径向线复杂的微波模式特性以及耦合探针的影响,使得整个方案的分析相对较为困难,文中具体地对方案二进行了研究,配合水平单圆环单元天线,共同形成了并联馈电高功率线极化径向线阵列天线。同时,文中对该天线相关的基础理论进行了总结和完善,主要包括：分析了阵列布局与天线性能的关系,由此获得阵列天线设计的参数；了解了径向线中的微波高频特性；分析研究了同轴到径向线转换接头中高阶模对S11参数的影响,加深了对这种带有调配结构的转换接头的认识,为以后整个阵列天线的模式分析提供基础。通过对初级功分器、子阵功分器、单元天线等关键环节的合理设计,对L波段高功率线极化径向线阵列天线进行了仿真,仿真结果表明：在中心频率1.57GHz下,天线增益为19.97dBi,口径效率为50.5%,轴向轴比为-52.06dB；在1.37GHz—1.77GHz的频率范围内,增益大于18.64dBi,口径效率大于37.2%,轴向轴比小于-46.45dB；在1.53GHz—1.76GHz的频率范围内,反射系数小于0.2(对应驻波比为1.5),初步证明了该天线实现的可行性。但其反射较大,口径效率较低,以及功率容量等问题,第5章就针对性地对其进行了优化设计,仿真结果表明：在中心频率1.57GHz下,天线增益为18.8dBi,口径效率为85.1%,轴向轴比为-40.07dB；在1.37GHz—1.77GHz的频率范围内,增益大于1 7.58dBi,口径效率大于64.26%,轴向轴比小于-40.07dB；在1.17GHz—1.68GHz的频率范围内,反射系数小于0.2(对应驻波比为1.5)；功率容量达到1GW。最后,在优化结果的基础上对该天线进行了实验验证,实验结果表明：中心频率下,阵列天线的增益为17.65dBi,口径效率为58.6%,驻波系数为1.19；在1.47—1.77GHz的范围内天线增益大于17.31dBi,轴比小于-38.6dB,天线口径效率大于54%,驻波系数小于1.4。实验结果与数值仿真结果基本一致,更进一步验证了高功率线极化径向线阵列天线的可行性,也具体地实现了该阵列天线。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第1章绪论  14-25
  1.1 径向线阵列天线的发展与国内外现状  14-18
    1.1.1 径向波导环缝天线  14-15
    1.1.2 双、单层径向线缝隙阵列天线  15-17
    1.1.3 基于RLSA的进一步优化天线  17
    1.1.4 径向线加耦合探针馈电阵列天线  17-18
  1.2 高功率微波天线的发展与国内外现状  18-23
    1.2.1 模式转换器+辐射喇叭  18-20
    1.2.2 Vlasov天线  20-21
    1.2.3 模式变换天线  21-22
    1.2.4 高功率径向线螺旋阵列天线  22-23
  1.3 高功率径向线阵列天线发展的重要方面及本论文工作  23-25
    1.3.1 高功率径向线阵列天线研究发展的重要方面  23
    1.3.2 本论文工作  23-25
第2章线极化单元天线的探索及研究  25-54
  2.1 单元天线需满足的要求  25-26
  2.2 线极化天线的探索与选择  26-53
    2.2.1 对称振子  26-38
    2.2.2 单偶极子及顶部加载偶极子  38-47
    2.2.3 环天线  47-52
    2.2.4 圆极化波合成线极化波天线  52-53
  2.3 总结  53-54
第3章高功率线极化径向线阵列天线探索及分析  54-78
  3.1 单圈圆环栅格线极化径向线阵列天线研究  54-55
    3.1.1 单圈圆环栅格线极化径向线阵列天线数值模拟  54-55
    3.1.2 小结  55
  3.2 多圈圆环栅格线极化径向线阵列天线研究  55-58
    3.2.1 多圈圆环栅格径向线实现线极化阵列天线存在的关键问题  56
    3.2.2 解决方案一——串联馈电  56-57
    3.2.3 解决方案二——并联馈电  57-58
    3.2.4 小结  58
  3.3 方案一中阵列布局分析  58-60
    3.3.1 单元数目  58-59
    3.3.2 阵列间距  59
    3.3.3 方向图及方向性系数  59-60
  3.4 方案二阵列布局分析  60-67
    3.4.1 栅格形式及单元数目  60-61
    3.4.2 阵列间距  61
    3.4.3 天线方向图及方向性系数  61-64
    3.4.4 径向线内的微波模式分析  64-67
  3.5 同轴—径向线转换接头理论分析  67-76
    3.5.1 同轴—径向线转换接头研究的国内外现状  67-69
    3.5.2 高功率径向线阵列天线同轴—径向线转换接头分析  69-76
  3.6 总结  76-78
第4章并联馈电高功率线极化径向线阵列天线理论分析及数值模拟  78-90
  4.1 子阵功分器  78-81
  4.2 初级功分器  81-85
    4.2.1 初级功分器设计  81-84
    4.2.2 初级功分器同轴—径向线转换接头计算  84-85
  4.3 阵列天线特性  85-88
    4.3.1 反射特性  85-86
    4.3.2 辐射特性  86-87
    4.3.3 极化特性  87-88
    4.3.4 功率容量  88
  4.4 总结  88-90
第5章并联馈电高功率线极化径向线阵列天线优化设计  90-104
  5.1 理论分析及设计  90-95
    5.1.1 水平单圆环天线优化  90-92
    5.1.2 阵列布局调整  92-93
    5.1.3 子阵馈电以及馈电探针优化  93-95
  5.2 优化后阵列天线数值仿真  95-103
    5.2.1 梯形封口子阵功分器  95-97
    5.2.2 初级功分器  97-99
    5.2.3 阵列天线特性  99-101
    5.2.4 天线功率容量分析  101-103
  5.3 总结  103-104
第6章并联馈电高功率线极化径向线阵列天线的实验研究  104-110
  6.1 实验原理及实验方法  104-107
    6.1.1 测试距离的要求  104-105
    6.1.2 极化测试方法  105-106
    6.1.3 增益测量方法  106
    6.1.4 带宽测量方法  106-107
  6.2 实验结果及分析  107-109
    6.2.1 阵列增益、轴比及方向图实验测量  107-108
    6.2.2 驻波比实验测量  108-109
  6.3 总结  109-110
第7章工作总结与展望  110-113
  7.1 主要工作及结论  110-111
  7.2 主要创新点  111-112
  7.3 研究展望  112-113
致谢  113-114
参考文献  114-121
硕博连读期间发表的论文及科研成果  121

高功率线极化径向线阵列天线研究

内容摘要

全文目录

相似论文