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毫米波天馈系统的准光学分析和近场测量方法研究

作　者: 程岳云
导　师: 王宏建
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 准光学理论 高斯波束 偏馈抛物面 天线近场测试 非等间隔近远场变换 探头补偿
分类号: TN820
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


毫米波系统由于其高分辨率、大传输容量以及在大气窗口良好的穿透特性受到了工程领域越来越多的关注。毫米波、短毫米波系统研究涉及理论算法研究、精加工技术和测试方法等关键技术。尤其是高频电大尺寸、多极化、多波束天馈系统设计和测试是目前要解决的关键问题。文章采用准光学理论进行了波纹喇叭口径场的高斯波束展开,并利用高斯波束的传播特性得到了波纹喇叭近区场和远场方向图;分析了线栅的极化分离特性以及对入射高斯束交叉极化的影响等;深入讨论了偏馈抛物面对入射高斯波束的影响以及高斯波束不同模式间的耦合效应,大大简化了模式耦合解析式,得到高斯波束入射下反射面交叉极化电平。通过与传统物理光学法仿真和实测结果的对比,验证了准光学高斯模耦合法分析偏馈天线系统的准确性、高效性。天线近场测试作为有效的全天候测试手段用于毫米波、短毫米波时对扫描架、安装精度要求极高,实际测量设备也往往因机械精度的限制无法应用于更高频率的测量。本文在天线近场测试18项误差分析的基础上将共轭梯度迭代法应用于求解近远场变换方程,利用非等间隔快速傅里叶变换得到了与传统FFT变换相同的时间复杂度。仿真和实测结果对比显示,非等间隔近远场变换能够有效地克服传统FFT等间隔采样的限制,使现有近场测量机械设备使用频率上限提高2~3倍;文章最后讨论了不同位置误差模型下采样点位置、点数以及波谱域间隔对迭代过程收敛性的影响,并给出了相应的改进措施。总之,本文研究毫米波、短毫米波天馈系统的准光学理论和基于非等间距近远场变换的近场测试方法,克服了短毫米波天馈系统的级联设计问题和FFT变换的等间距采样问题,相关试验验证了分析的准确性,研究内容对于毫米波、短毫米波乃至太赫兹探测系统的研究具有一定的指导意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-16
  1.1 引言  8-11
    1.1.1 准光学理论  8-9
    1.1.2 天线近场测试误差分析研究  9-11
  1.2 准光学原理与进场测量非等间隔近远场变换介绍  11-13
    1.2.1 准光学原理与近场测量非等间隔近远场变换概述  11-12
    1.2.2 国内外研究状况  12-13
  1.3 论文选题的意义和背景  13-14
  1.4 论文取得的成果和章节安排  14-16
第二章 基本理论知识  16-30
  2.1 准光学原理简介  16-18
  2.2 非等间隔傅里叶变换  18-24
    2.2.1 非等间隔离散傅里叶变换  18-19
    2.2.2 非等间隔快速傅里叶变换  19-21
    2.2.3 窗函数的选择  21-24
  2.3 共轭梯度迭代  24-26
  2.4 求矩阵条件数的Lanczos迭代  26-27
  2.5 切比雪夫插值  27-28
  2.6 小结  28-30
第三章 偏馈系统的准光学分析  30-46
  3.1 辐射计天馈系统结构  30
  3.2 波纹喇叭口径场的高斯模展开  30-31
  3.3 线栅设计与交叉极化分析  31-36
    3.3.1 线栅极化分离特性  31-33
    3.3.2 线栅交叉极化特性分析  33-36
  3.4 偏馈抛物面的准光学分析  36-45
    3.4.1 偏馈抛物面的高斯模式变换  36-39
    3.4.2 偏馈抛物面交叉极化特性  39-40
    3.4.3 天馈系统分析结果  40-45
  3.5 小结  45-46
第四章 近场测量非等间隔近远场变换  46-72
  4.1 近场测量波谱函数的提取与探头补偿  46-50
  4.2 开口波导（OEWG）探头与坐标变换  50-56
    4.2.1 开口波导方向图与增益  50-53
    4.2.2 探头坐标变换  53-56
  4.3 非等间隔近远场变换  56-58
  4.4 非等间隔快速傅里叶变换在算法中的应用  58-60
  4.5 测试仿真结果与讨论  60-68
    4.5.1 测试结果与误差分析  60-62
    4.5.2 测量近场数据的非等间隔变换  62-68
  4.6 迭代收敛性的讨论  68-70
  4.7 小结  70-72
第五章 结论  72-74
附录A 偏馈反射面法向单位向量的推导  74-76
附录B 探头坐标变换  76-80
  B.1 探头旋转  76-77
  B.2 探头坐标系与待测天线坐标系变换  77-80
参考文献  80-85
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  85-86
致谢  86

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电设备、电信设备 > 天线 > 一般性问题
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