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可重构广角天线及等离子体天线关键部件研究
作 者: 汪秀
导 师: 袁斌
学 校: 上海交通大学
专 业: 电磁场与微波技术
关键词: 可重构天线 广角天线 等离子体天线 传输线脉冲变压器 相控阵
分类号: TN821.8
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
随着相控阵雷达技术的不断发展,不论是雷达还是电子对抗系统,为提高自身的作战能力和范围,都要求相控阵天线具有大空域覆盖、宽角度扫描性能。天线单元作为相控阵天线的重要组成部分,其性能直接影响相控阵天线的性能。天线单元设计是相控阵雷达研制的重要环节之一。设计性能满足技术指标要求的阵列单元,是相控阵天线研制的首要任务。对于大空域覆盖、宽角度扫描相控阵天线,天线单元的宽波束特性是保证相控阵天线宽角扫描的前提条件。本文在这一需求下,深入研究影响相控阵扫描角度的两大主要因素—阵元间互耦的存在和天线单元本身的有限辐射后,从改变天线单元本身辐射方向图的思路出发,设计出一款基于PIN开关的方向图可重构双角形天线单元,通过控制开关的通断可实现三种不同辐射结构的切换:I、仅水平振子激励馈电;II、水平振子和法向振子以左上右下方式连接成两副双角天线并水平方向馈电;III、水平振子和法向振子以右上左下方式连接成两副双角天线并水平方向馈电。三种切换调控方式下可重构出三个方向图,综合起来在保持7dB之上的增益时,E面3dB方向图扫描角宽达120o ,H面3dB方向图扫描角宽115.3o,且兼有较低的副瓣电平,满足相控阵的大角度宽波束扫描需要。此外,还进行了以等离子体的方式来实现上述基于PIN的金属可重构天线的研究,仿真结果表明,同金属的一样,等离子体在三种方式下,同样可以实现天线方向图的宽角可重构,综合起来总E面3dB方向图扫描角宽达120o ,H面3dB方向图扫描角宽113.3o,且减少了6个调谐开关所带来电磁兼容问题及直流偏置问题。并且等离子体天线比金属天线尺寸缩小了8%左右,更有利于于天线的小型化。此外,等离子体天线长度可控特性可以容易的实现频率可重构,比金属的利用调谐开关来实现要简便。不断切换工作频率,对抗干扰、通信保密等有着非常重要的价值。等离子体是实现可重构天线比较理想的方式。但在敏捷性方面,不及全光等离子体天线。全光等离子体天线是指等离子体的产生激励和维持都是基于光的。然而,要实现等离子体的产生激励,关键需要一个高频高压脉冲激励源实现DBD的放电,而实现高频高压脉冲源的实现又需要传输线脉冲变压器(transmission line pulse transformer,TLT)高频升压,所以用于脉冲激励端的传输线脉冲变压器是等离子体天线得以实现的关键部件。文中紧紧围绕着这一关键部件,系统地研究了TLT理论,针对传统TLT电压增益公式中存在的一些问题进行了TLT电压增益公式的研究,给出了传统研究中所没有给出的详尽的2到10阶TLT电压增益公式,并且还针对公式进行了详细的分析,得出TLT阶数、增益以及阻抗比之间明确的数量关系,对指导工程实际有重要意义。最后,还开展了TLT实验研究。具体研制出二阶、四阶、六阶TLT以及改进的耦合三阶TLT进行了实验,有效地证明了本文给出的电压增益理论的正确性,为后续十阶TLT的研制打下了坚实的基础。此外,在对TLT的研究中,我们不仅考虑到电压的升压比问题,还考虑到电流的问题,这也是在传统TLT研究中所不曾考虑到的。如何很好的去权衡二者,尽量在提高次级线阻抗的同时尽量降低分布电容,文中从耦合理论和反馈机制方面也做了相关工作,这为课题项目未来工作的展开提供了一定指导。
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全文目录
摘要 5-7 Abstract 7-12 第一章 绪论 12-36 1.1 可重构广角天线研究 12-14 1.1.1 背景与意义 12-13 1.1.2 国内外研究现状 13-14 1.2 可重构等离子体天线 14-27 1.2.1 可重构天线 14-22 1.2.2 等离子天线特点与概况 22-27 1.3 等离子体天线关键部件之传输线脉冲变压器研究概况 27-32 1.3.1 传输线脉冲变压器的发展与应用 27-28 1.3.2 传输线脉冲变压器研究现状 28-32 1.4 本文研究内容及主要工作 32-36 第二章 基础理论 36-52 2.1 相控阵天线 36-41 2.1.1 相控阵天线的技术特点 36-37 2.1.2 相控阵天线对单元尺寸的要求 37-39 2.1.3 相控阵天线对单元波束宽度的要求 39-41 2.2 等离子体天线的基本理论 41-46 2.2.1 天线长度的可控性 42-43 2.2.2 天线电导率的可控性 43 2.2.3 天线辐射场可控性 43-46 2.3 传输线脉冲变压器基本理论 46-51 2.3.1 脉冲变压器原理 46-47 2.3.2 传输线脉冲变压器理论 47-51 2.4 本章小结 51-52 第三章 可重构广角天线单元研究 52-70 3.1 角形天线及其理论 52-56 3.1.1 角形天线 52-53 3.1.2 理论分析与推导 53-56 3.2 基于PIN的方向图可重构双角形广角天线单元 56-61 3.2.1 天线单元结构 56-58 3.2.2 仿真结果与分析 58-61 3.3 基于等离子体的方向图可重构广角天线 61-66 3.3.1 等离子体天线理论分析与推导 62-63 3.3.2 基于等离子体的方向图可重构天线 63-66 3.4 敏捷性全光等离子体天线 66-69 3.5 本章小结 69-70 第四章 全光等离子天线关键部件TLT的电压增益公式研究 70-90 4.1 传统TLT理论中电压增益公式及存在问题 70-72 4.2 TLT输出增益与级数间的关系 72-83 4.2.1 2~10 阶TLT电压输出增益与级数的关系 73-82 4.2.2 2~10 阶TLT电压增益关系对比研究 82-83 4.3 TLT的输出电压增益与级数间关系的分析与综合 83-88 4.3.1 2~10 阶TLT的输出电压增益的定量分析 83-86 4.3.2 2~10 阶TLT输出增益关系的综合 86-88 4.4 本章小结 88-90 第五章 TLT设计与实验研究 90-104 5.1 TLT的设计 90-96 5.1.1 材料的选择 90-94 5.1.2 TLT设计 94-96 5.2 TLT的实验研究 96-103 5.2.1 TLT实验 96-99 5.2.2 实验结果与分析 99-101 5.2.3 改进实验 101-103 5.3 本章小结 103-104 第六章 总结与展望 104-108 6.1 论文工作总结 104-105 6.2 今后的工作 105-108 参考文献 108-118 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 118-120 致谢 120
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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 > 天线:按工作原理分 > 相控阵天线
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