（电磁场与微波技术专业论文）metamaterial在功分移相中的应用研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e s t u d i e so nm e t a m a t e r i a l sa p p l i c a t i o n i np o w e r d i v i d i n ga n dp h a s e s h i f t a u t h o r sn a m e ：y u e h u al u o s p e c i a l i t y ： s u p e r v i s o r ： f i n i s h e dt i m e ： e m f i e l d & m i c r o w a v et e c h p r o f q iz h u m a y1 0 m ，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：签字日期_ 壶里丝! 亟! 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 屯么开 口保密( 年) 作者躲墨鸱 签字日期：皇旦羔：! 三 导师签名： 签字日期：童! 苎：鱼：5 摘要 摘要 m e t a m a t e r i a l 因其超常的物理、电磁特性成为近年来物理与电磁领域的研究 前沿与热点。通过对m e t a m a t e r i a l 宏观结构的控制可以实现一些特异电磁特性， 如负介电常数、负磁导率、负折射率、强色散特性、非线性等。m e t a n 筐t t e r i a l 的特异电磁特性意味着全新的电磁传播行为，这为物理、电磁、材料等科学领 域的研究提供了新思路并出现了大量重要的研究成果。 相控阵因其灵活的波束控制能力被广泛应用。相控阵天线主要包括天线、 馈电网络、移相器及其控制电路等。传统的无源相控阵设计中，移相器和功分 器独立设计而后集成的设计方法导致电路面积大、移相器数量多、加工复杂、 系统损耗大等问题。而有源相控阵中作为关键元件的t r 组件中的固态移相器 的高插损和放大器的低效率导致了有源相控阵系统的高功耗，限制了它在很多 要求低功耗领域的应用。 本论文首先研究了支节加载传输线的非线性色散特性。通过控制加载支节 参数，支节加载传输线在非线性色散频段内可以实现电磁波逆向传播及负的传 播常数。实际上传输线可以看成一个单输入单输出网络，而功分器是单输入多 输出网络，可以看成是一种广义传输线，基于此分析了加载支节对功分器的影 响。研究表明，支节加载功分器也有类似于支节加载传输线的非线性色散特性， 并且由于支节对各路输出的影响程度的差异，使得功分网络各路输出呈现步进 相位分布。支节加载传输线及支节加载功分器表现出典型的m e t a m a t e r i a l 特性， 属于传输线型m e t a t m t e r i a l 。论文进一步研究了其在功分移相中的应用，提出集 功分与移相功能于一体的新型馈电网络。研究内容包括：“四路功分与二比特移 相”的功分移相器研究、功分移相网络的大角度移相实现方法研究、功分移相 网络的可重构研究。 最后，基于功分移相网络提出一种新型相控阵及其波束控制方案，为了进 一步降低相控阵系统复杂度，介绍并研究了新型小型化“1 8 0 0 + 9 0 0 集成移相 器、相位虚位、随机馈相及幅度虚位技术在相控阵波束控制中的应用。 关键词：m e t a m a t e r i a l 相控阵支节加载传输线支节加载功分器非线性色散 功分移相小型化“18 0 0 + 9 0 集成移相器 摘要 i i a b s t r u c t a b s t r a c t f o rt h e i rs 叩e r n o r r m lp h y s i c a la n de l e c l r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i cs ，m e t a m a t e r i a l s h a v ea t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o ni nr e l a t e df i e l d so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n b y c o n t r o l l i n g t h e m a c r o s c o p i cs t r u c t u r e ，m e t a m a t e r i a l s c a na c h i e v e s p e c i a l e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s l i k e n e g a t i v ep e r m i t t i v i t y , n e g a t i v ep e r m e a b i l i t y , n e g a t i v e i n d e xa n d s t r o n gd i s p e r s i o n , w h i c h i l l e a nn o v e le l e c t r o m a g n e t i c p r o p a g a t i o na n dp r o m o t ei m n yn o v e li d e a sa n da c h i e v e m e n t si nf i e l d so fp h y s i e s ， e l e c t r o m a g n e t i ca n dm a t e r i a l p h a s e da r r a y sa r ew i d e l ya p p l i e df o rt h e h - f l e x i b l eb e a m - s t e e r i n ga b m t y t h e y u s u a l l yc o n s i s to f a n t e n n a s ，f e e d i n gn e t w o r k ，p h a s es h i f i e r sa n d t h ec o l a r o lc i r c u i t s i nc o n v e n t i o m lp a s s i v ep h a s e da r r a y , t h ei n d i v i d u a ld e s i g no fp h a s es h i f t e ra n d p o w e rd i v i d e rr e s u l t si nl a r g ec k c u i c s s i z e ，】a r g en u m b e ro f p h a s es h i f t e r s ，c o m p l e x f a b r i c a t i o n , h i g hs y s t e mb s sa n de t c i na c t i v ep h a s e da r r a y s ，t h es o l i dp h a s es h i f t e r a n dt h eb we f f i c i e n ta m p l i f i e r si nt rm o d u l e su s u a l l yc a u s eh i # p o w e rl o s s ，w h i c h m a k et h e mt m s u i t a b l ei nt h eb wp o w e ra p p l i c a t i o n s i nt h i s p a p e r , t h e n o n l i n e a r d i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i co fs t u b l o a d e dt l ( t r a n s m i s s i o nl i n e ) i si n v e s t i g a t e d b yc o n t r o l l i n gt h ep a r a m e t e r so ft h eb a d e d s t u b ， t h es t u b l o a d e dt lc a nr e a l i z eb a c k 、砚r d - w a v ep r o p a g a t i o na n dn e g a t i v ep r o p a g a t i o n c o n s t a n ti nt h en o n l i n e a rd i s p e r s i o nl i e q n e n c yb a n d i nf a c t , at li sas i s o ( s i n g l e i na n ds i n g l e o u t ) n e t w o r k , w h i l eap o w e rd i v i d e ri sas i m o ( s i n g l e - i na n d m u l t i p l e - o a ) n e t w o r k f u r t h e rw o r ki n d i c a t e st h a tt h es t u b l o a d e dp o w e rd i v i d e r p o s s e s s e sn o n l i n e a rd 卸e r s i o nl i k et h a to ft h es t u b - l o a d e dt l , a n dt h ed i s c r e p a n c y o ft h es t u b e f f e c t so nd i f f e r e mo u t p u tp o r t si n t r o d u c ep h a s ep r o g r e s s i o na m o n gt h e o u t p u t s t b es t u b l o a d e dt la n dp o w e rd i v i d e rd e m o n s t r a t et y p i c a lm e t a r m t e r i a l c h a r a c t e r i s t i ca n db o t hb e b n gt ot l - m e t a m a t e r i a lm p 印e rh a ss t u d i e dt h e i r a p p l i c a t i o mi np o w e rd i v i d i n ga n dp h a s es 1 1 i f i ，a n dp r o p o s e dan o v e lm 钯g r a t i v e f e e d i n gn e t w o r kw i t hf u n c t i o n so f p o w e rd i v i d i n ga n dp h a s es h i f t t h em a i nr e s e a r c h i n c l u d et h e 4 一w a yp o w e rd i v i d i n ga n d2 - b i tp h a s es h i f t ”p d p s nq o w e rd i v i d i n g a n dp h a s es h i f t n e t w o r k ) ，】a r g ep h a s es h i f tf o rp d p s na n dt h er e c o r t f i g u r a b l e p d p s n i nt h ee n d ，an o v e ip h a s e da r r a yi s p r o p o s e db a s e do nt h ep d p s n t ob w e rt h e c o m p l e x i t yo ft h ep h a s e da r r a ys y s t e mf u r t h e r t h en o v e lc o m p a c t “1 8 0 0 + 9 0 0 i a b g r r u c t i n t e g r a t i v ep h a s es h i f t e r , p h a s ep h a n t o m - b i tt e c h n i q u e ，r a n d o mf e e d i n g - p h a s e t e c h n i q u ea n da r n p i t u d ep h a n t o m , b i tt e c h n i q u ea l ei r 吐r o d u c e da n ds t u d i e d k e y w o r d s ：m e t a m a t e r i a l s ，p h a s e da r r a y , s t u b l o a d e dt l ，s t u b l o a d e dp o w e rd i v i d e r , n o n l i n e a rd i s p e r s i o n , p o w e rd i v i d i n g p h a s es h i f t , c o m p a c t “18 0 0 + 9 0 0 ”i n t e g r a t i v e p h a s es h i f t e r i v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究现状和发展趋势2 1 2 1 复合左右手传输线m e t a m a t e r i a l 一2 1 2 2 电谐振环( e r r ) m e t a m a t e r i a l 4 1 2 3h i g p ( 高阻抗地面) m e t a m a t e r i a l 5 1 2 4 基于信号矢量合成的相控阵6 1 2 5 基于分布谐振电路的相控阵7 1 3 研究内容和研究方法。8 1 3 1 研究内容8 1 3 2 研究方法8 第2 章支节加载型m e t a m a t e r i a l 非线性色散特性研究9 2 1 支节加载传输线非线性色散特性9 2 1 1 支节加载传输线非线性色散特性现象研究9 2 1 2 支节加载传输线非线性色散特性理论分析1 l 2 2 支节加载功分器非线性色散特性1 3 第3 章支节加载型m e t a m a t e r i a l 在功分移相中的应用1 5 3 1 基于支节加载功分器的新型微波毫米波器件：功分移相器1 5 3 1 1 功分移相器设计1 5 3 1 2 功分移相器电磁仿真1 7 3 1 3 功分移相器实验测试1 9 3 2 大角度移相的功分移相网络2 2 3 3 可重构功分移相网络2 4 3 3 1 可重构功分移相网络模型简介2 4 3 3 2 可重构功分移相网络工作原理2 5 3 3 3 可重构功分移相网络电磁仿真2 6 v 目录 第4 章基于功分移相网络的新型相控阵2 9 4 1 基于功分移相网络的新型相控阵2 9 4 2 小型化1 8 0 0 + 9 0 0 鸳耗成移相器3 0 4 2 1 加载线型移相器3 0 4 2 2 基于3 d b 定向耦合器的反射式移相器3 1 4 2 3 基于支节加载3 d b 定向耦合器的小型化“1 8 0 0 + 9 0 0 集成移相器3 2 4 3 相控阵馈电技术3 4 4 3 1 相位虚位技术3 4 4 3 2 随机馈相技术3 6 4 3 3 幅度虚位技术3 7 第5 章结论与展望3 9 参考文献4 1 致谢4 3 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果4 5 v i 图表目录 图表目录 图1 1 电磁m e t a m a t e r i a l 材料特性及其应用l 图1 ，2 复合左右手传输线结构及其等效电路3 图1 3 非平衡状态下的复合左右手传输线传输线色散曲线图3 图1 4 复合左右手微波毫米波器件4 图1 5 一种m e t a m a t e r i a l 吸波器及其反射和传播系数及损耗机制4 图1 6 一种i - g p 构造的吸波器5 图1 7 一种由定向耦合器、合路器和两个移相器组成的相控阵结构6 图1 8 信号矢量叠加原理实现步进相位6 图1 9 n 端口的分布谐振电路原理图7 图1 1 0 基于分布谐振电路的相控阵8 图2 1 传统微带传输线结构参数9 图2 2 传统微带传输线s 参数9 图2 3 支节加载传输线结构示意图1 0 图2 4 支节加载传输线s 参数1 0 图2 5 支节加载传输线划分为三个子网络示意图一1 1 图2 6 无损耗支节加载传输线与普通传输线的色散曲线1 2 图2 7 并联开路支节等效电路1 2 图2 。8 一分三动分器加载支节结构示意图1 3 图2 9 “一分三动分器上加载支节后的仿真s 参数1 4 图3 1 “一分四”功分器拓扑结构及其s 参数1 5 图3 2 “一分四”功分器加载开路支节拓扑结构及其s 参数1 6 图3 31 0 g h z 频率时支节长度与步进相位差的函数关系1 6 图3 4p i n 开关等效电路模型1 7 图3 5 直流控制电路及其对微带传输线的影响1 7 图3 6h f s s 中功分移相器仿真模型。1 8 图3 7 心s s 中功分移相器仿真s 参数1 9 图3 8 功分移相器加工实物图一2 0 图3 9 功分移相器四个工作状态s 参数测试结果2 l 图3 1 0 功分移相器四个工作状态阵因子的仿真与实测结果比较2 2 图3 1 l 双支节加载功分器拓扑结构2 2 i 图表目录 图3 1 2 双支节加载功分器仿真结果s 参数2 3 图3 1 3 双支节加载功分移相网络接天线模型2 3 图3 1 4 双支节加载功分网络接天线后的仿真结果输入端1 2 1 回波与辐射方向图2 4 图3 1 52 x 4 可重构功分移相网络2 4 图3 1 6 可重构功分移相网络分离状态的子网络拓扑图2 5 图3 1 7 两个子网络联合为一个新功分移相网络后的等效结构示意图2 6 图3 1 8 可重构功分移相网络的i - i f s s 仿真模型2 7 图3 1 9 可重构功分移相网络四个工作状态仿真结果s 参数2 8 图4 18 x 1 2 二维平面相控阵列拓扑图。一2 9 图4 2 基于功分移相器的一维线阵波束控制示意图。2 9 图4 3 加载线型移相器等效电路3 0 图4 4 双支节加载线型9 0 0 移相器31 图4 5 支节加载9 0 0 移相器仿真结果3 1 图4 6 基于3 d b 定向耦合器设计的反射式1 8 0 0 移相器3 2 图4 7 反射式1 8 0 0 移相器仿真结果3 2 图4 8 小型化“1 8 0 0 + 9 0 0 集成移相器电路拓扑图及其移相3 3 图4 9 小型化“1 8 0 0 + 9 0 0 集成移相器四个工作状态s 参数3 4 图4 1 0 随机馈相法降低副瓣原理图3 6 图4 1 1 海明幅度分布及相应的阵因子3 7 图4 1 2 海明分布虚位后的幅度分布及阵因子3 7 表3 1 功分移相器共作状态表2 0 ， 表3 2 可重构功分移相网络的工作状态2 5 表4 1 小型化t 1 8 0 0 + 9 0 0 集成移相器的四个工作状态3 3 v i 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 m e t a n m e r i a l 的概念出现于2 1 世纪物理学与电磁学领域，是在早期所谓的 “左手材料( l h m ，l e f t - h a n d e dm a t e r i a l ) ”【1 】的研究基础上发展而来。左手 材料最早由俄国物理学家v e s e l a g o 提出，在他的文章中指出在介电常数以及磁 导率同为负值的物质中，电磁波将表现出有别于其在普通物质中的特异特性： 普通材料中电磁波的电场e 、磁场h 与坡印廷矢量s 遵循右手规则，而在左手 材料中三者遵循的是左手规则。 现今m e t a m a t e r i a l 一般指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复 合结构或复合材料。通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计，获得超出自 然界固有的普通性质的超常材料功能。m e t a m a t e r i a l 一般有三个重要特征：( 1 ) m e t a m a t e r i a l 通常是具有新奇人工结构的复合材料；( 2 ) m e t a r m t e r i a l 具有超常 的物理性质，如负介电常数、负磁导率、负折射率；( 3 ) m e t a m a t e r i a l 性质往往 决定于其中的人工结构，而构成m e t a m a t e r i a l 的材料本征性质不起关键性作用。 图1 1 电磁m e t a m a t e r i a l 材料特性及其应用 目前已可以在射频、微波、太赫兹及光波等一系列电磁频段实现人工可控 的等效负介电常数和磁导率。宏观世界的电磁现象可以由m a x w e l l 方程组及其 本构方程描述，介电常数和磁导率则由本构方程定义并决定了电磁波在与介质 相互作用时的极化、磁化及色散等电磁特性。m e t a t m t e r i a l 的特异电磁特性意味 着全新的电磁传播行为，这为物理、电磁、材料等科学领域的研究提供了新思 路并出现了大量重要的研究成果。 作为m e t a m a t e r i a l 的典型代表，光子电磁晶体( p h o t o n i c e l e c t r o m a g n e t i c c r y s t a l ) 、左手材料( l e f t - h a n d e dm a t e r i a l ) 、表面等离子体( s u r f a c ep l a s m o n ) 及“超磁性材料”等是近数十年来国际物理学与电磁学领域的研究前沿与热点 第1 章绪论 问题，并取得诸多非常重要的研究成果。有关m e t a m a t e i r a l 研究的论文报道至 今仍经常出现于一些主流的物理学期刊、杂志，关于m e t a m a t e r i a l 的开拓性研 究成果诸如光子晶体、左手材料以及基于m e t a m a t e r i a l 的电磁隐身 ( e l e c t r o m a g n e t i ci n v i s 弛i l i t y ) 等在近十多年来先后被s c i e n c e 杂志评为年度十 大科技突破之一。 相控阵因其灵活的波束控制能力被广泛应用于通信与雷达系统。相控阵天 线主要包括馈电网络：移相器及其控制电路、天线单元阵列等。传统的无源相 控阵设计中，移相器和功分器独立设计而后集成的设计方法导致电路面积大、 移相器数量多、加工复杂、系统损耗大等问题。而有源相控阵中作为关键元件 的t r 组件中的固态移相器的高插损和放大器的低效率导致了有源相控阵系统 的高功耗，限制了它在很多要求低功耗领域的应用。本论文基于支节加载型 m e t a n i n t e r i a l 的非线性色散特性研究集功分与移相功能于一体的新型馈电网络。 支节加载传输线结构的非线性色散特性可归结为m e t a m a t e r i a l 电磁特性， 本论文m e t a m a t e r i a l 在功分移相中的应用研究，主要研究支节加载传输线 结构的非线性色散特性并为微波器件功能多样化、综合化设计提供崭新思路， 结合软件仿真、数学分析和电磁行为阐述完成一些具体设计案例，以此促进相 关理论发展及应用研究。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 复合左右手传输线m e t a m a t e r i a l 美国加州大学i t o h 教授于2 0 0 0 年提出了左手传输线的概念 2 1 ，结构如图 1 1 ( a ) 、1 1 ( b ) 所示。该结构以微带交指结构实现串联电容c l ，以外接一段短路 的短截线来实现并联电感l l 。同时交指结构对地存在寄生电容c r ，交指上电流 会产生寄生电感上r ，因而该结构严格意义上称为复合左右手传输线结构，图 1 1 ( c ) 是其等效电路。 ( a ) t - i t o h 提出的复合左右手传输线结构示意图 第1 章绪论 l rcl ( b ) 复合左右手传输线单元结构示意图( c ) 等效电路图 图1 2 复合左右手传输线结构及其等效电路 复合左右手传输线是一种分布参数电路，在无损耗的情况下，其分布参数 包括串联电感k 、并联电容、串联电容巴和并联电感屯。根据参考文献【2 】， 复合左右手传输线的相位传播常数为 其中 8 = s ( c o ) 和，= - 1 , 当c o c o r l = 蓑翕m 2 ， 公式( 1 1 ) 中的相位传播常数可以是实数也可以是虚数，取决于根号内因子 的正负。当是一个纯虚数时对应的是传输阻带，当是一个纯实数时对应的是 传输通带，并且s ( 甜) = + 1 时表示电磁波传输过程中相位滞后，而s ( ) = 一1 时 则表示电磁波传输过程中相位超前。图1 3 显示了纯右手、纯左手和非平衡状 态下复合左右手传输线结构的色散曲线图( 国一图) 【3 】。 掣 绺受 - 1 j n ( 缈弹，( 9 n ) 岁 - ：_ 一 _ 芦 图1 3 非平衡状态下的复合左右手传输线传输线色散曲线图 b 7 8 5 3 2 1 0 一nzo一_fc_：寸= 第1 章绪论 从图1 3 中可看出，纯右手传输线具有线性色散特性，而复合左右手传输 线在特定频段内有非线性色散特性，在特定工作频段内具有负传播常数，表现 为逆向波传播特性，是一种传输线型m e t a m a t e r i a l 。复合左右手结构以微带线实 现，具有平面结构，具有较低的损耗、尺寸及较宽的带宽，可以应用于实际的 微波毫米波器件设计中【4 1 0 l 。 ( a ) 复合左右手滤波器( b ) 复合左右手天线 ( c ) 复合左右手分支线耦合器 图1 4 复合左右手微波毫米波器件 1 2 2 电谐振环( e r r ) m e t a m a t e r i a l 2 0 0 1 年，美国加州大学s a nd i e g o 分校的d a v i ds m i t h 等物理学家根据 p e n d r y 等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次微波频段是实现了负介电常 数与负磁导率，将一束微波入射到铜环和铜线构成的人工介质时微波以负角度 折射。后期又有基于e r r 型m e t a n 】a t e r i a l 构造的只有亚波长量级厚度的吸波器 【1 1 】，如图1 5 所示，其中红线代表仿真结果，蓝线代表测试结果。 一 图1 5 一种m e t a m a t e r i a l 吸波器及其反射和传播系数及损耗机制 文章介绍m e t a m a t e r i a l 的电磁特性可以复介电常数李( ) = ，+ f ：及复磁 导率肛( ) = “，+ f 肛，表征，一般m e t a m a t e r i a l 的研究专注于和“的实部及其负 折射率特性。而实际上其虚部代表损耗，可以应用于损耗性元件设计，如吸波 器，通过结构改变就可以控制和“，从而实现m e t a r m t e r i a l 与自由空间的阻抗 匹配，实现近乎零反射。文章中介绍了损耗主要源自f r - 4 的电介质损耗，通过 调整c w ( 截断线) 和e r r ( 电谐振环) 分别实现对电、磁场的耦合，改变相 关结构参数( 尤其是c w 与e r r 的间距) 可以对和“解耦合，从而方便控制谐 4 第l 章绪论 振频率。在谐振频率处绝大部分能量被介质损耗，而金属铜上环的欧姆损耗则 很小。如图1 5 所示，介质损耗远大于欧姆损耗，在1 1 5 g h z 附近的仿真和测 试的反射系数鱼传输系数都很小，在4 的相对带宽内能量吸收率分别达到9 6 和8 8 。由于结构的m e t a r m t e r i a l 特性，该设计结构厚度远小于工作波长( 只 有a 。3 5 ) ，而基于干涉原理的s a l i s b u r ys c r e e n 【1 2 1 则要求距离目标金属反射 板k 4 。由此可见，m e t a r n a t e r i a l 相比于传统材料的优势在于可以通过一些特殊 结构的控制实现所需的电磁特性，满足特定的应用需求。 1 2 3h i g p ( 高阻抗地面) m e t a m a t e r i a l h i g p 也是一种典型m e t a r m t e r i a l ，由周期性接地金属片阵列构成。文献【1 3 】 中介绍了一种h i g pm e t a m a t e r i a l 吸波器，如图1 6 所示。 互里曼g 工” z r 圈田一n | g k ( b ) 侧视图 ( c ) 实物图( d ) 等效电路 图1 6 一种h i g p 构造的吸波器 无损情况下，可设其表面反射系数为r h = e j 口，随入射波频率增加，反射 系数相角仍将从丌连续变化至i j - r r ，在某谐振频率处反射系数相角为0 ，这时的 m g p 表面特性就像一个磁表面。如果在金属片之间接上电阻则等效为一个r l c 并联电路。此时的反射系数为 r z2 面葡- ( 1 - 币r n 面) = ( 一1 一，翥砷一1( 1 3 ) 功率反射系数为 尺p = 刚2 磊t g z ；( 丽0 2 ) ( 1 4 ) 由( 1 4 ) 式可知，在谚= 0 处r 将吸收全部能量，当谚相位远离0 时，反射系 数将变大。加载电阻后的吸收带宽决定于m g p 带宽，且该g p 吸收器的厚 度只有0 0 3 2 。 第1 章绪论 1 2 4 基于信号矢量合成的相控阵 图1 7 是一种基于信号矢量合成的新型相控阵【1 4 1 。传统相控阵中每个天 线单元都需要一个移相器，而该新结构只用到两个移相器就可以控制整个阵列 的步进相位输出，该相控阵包括两个相同的子阵，由一个功分器进行两个子阵 馈电。每个子阵包括定向耦合器、放大器、功率合路器和一个移相器。 图1 7 一种由定向耦合器、合路器和两个移相器组成的相控阵结构 对于每个子阵，每个天线端口馈电信号是两路反向传播信号的矢量合成， 如图1 8 所示。第一路信号是输入信号从传输干路依次耦合到各个定向耦合器 的耦合端口的信号，它在各个单元有固定的相位分布；第二路信号是经移相器 反射后的信号经传输千路耦合到定向耦合器的隔离端口的信号，它们的相位由 移相器控制。通过改变第二路信号分量的相位和幅度即可实现该子阵输出端口 步进相位分布，第二路信号的幅度大小通过可变增益放大器实现a ，、a 2 、a 。、 以。实现。两路信号合成后经可变增益放大器曰，、如、现、日。实现一定的幅度 分布输出。 眄r 醴s l p a tc o m p o n e n t s e c o n d 蝻薛耐钾m p o n e n t f 甘甜a - t e - n s e c o n da n t e e m a t h i r d a l l u t e n u uf o u r t ha n t e n n a o oo + + oooo oo 。o 图1 8 信号矢量叠加原理实现步进相位 6 第1 章绪论 相比于传统相控阵，该相控阵方案每个子阵只用到一个移相器，降低了移 相器及其控制电路的数量和复杂度，但用到了大量定向耦合器、放大器及合路 器，特别是可变增益放大器功率效率不高是显著的问题。 1 2 5 基于分布谐振电路的相控阵 文献【1 5 ，1 6 中介绍了基于分布谐振功分电路的波束控制方案，图1 9 是一个n 端口分布谐振电路的原理图。根据电路结构可知，第胛m 加个端口的 导纳k = g + ( 2 n 一1 ) 胆，第端口输入导纳为y = g + ( 一1 ) 胆。黑色传输 线f 。导纳变换功能，如f ，将导纳k = g + b 变换为g 一胆，2 ：将导纳 砭= 2 ( a + b ) 变换为2 ( a j b ) ，直至一1 = ( n 一1 ) ( g + ，b ) 。第n 个端口的 输入导纳是n g ，最后以一个a 4 导纳变换线将导纳k = n g 与源匹配。 2 ( g + j a ) g - j b bl 女 g + j b 厂7 一矿磷1 图1 9n 端口的分布谐振电路原理图 基于图1 9 的分布谐振电路的相控阵方案是将每个功分输出端口接一个天 线( g n n c = g ) 和一个可变电容( b = c ) ，导纳变换线以一个可变电感实现，如第 咒个可变电感l 。将导纳n ( g + _ c ) 变换为n ( a - j o j c ) ，易得 l n2 磊赫 ( 1 5 ) 因而相邻天线端口的电压比为 警：而( g a n t + j 6 0 c ) x ：p j2 t a n ( 2 c o c a a 7 l ( 1 6 ) c + ( 【j 2 c 。 、。 上式表明相邻端口电压幅度相等，相位相差2 t a n _ 1 ( 2 c o c 吼n ) ，相位差只 与电容c 和天线输入导纳嚷n t 有关，与端口数目无关，这样就实现了等幅等差 相位输出，可以实现均匀分布相控阵波束扫描。 由于可变电感难以实现，采用一种由两个四分之一波长微带转换线中间并 联一个可变电容的方式实现等效可变电感l 。最后的相控阵拓扑结构如图1 1 0 所示。 盼 驸 l 一 洲却 一，n b ( 熵 一 一n 0 g j n 汀nn4 硒m 雌 汀 第1 章绪论 图1 1 0 基于分布谐振电路的相控阵 另外，还有基于划分子阵及交叉子阵技术 1 7 j ，电抗控制阵列【1 8 】的相 控阵方案，都在一定程度上减少了移相器数量或简化了系统复杂性。 1 3 研究内容和研究方法 1 3 1 研究内容 1 、对支节加载传输线励分器型m e t a r m t e r i a l 的非线性色散特性进行现象 研究与理论分析。并研究其在微波器件设计中的应用。 2 、基于支节加载功分器的非线性色散特性研究设计“四路功分与二比特 移相 的功分移相网络，并进行加工测试。同时研究大角度移相的功 分移相网络。 3 、基于之前的基础研究成果，提出功能更为综合化的可重构馈电网路设 计，通过开关元件实现馈电结构的改变，从而实现不同的移相要求。 4 、基于功分移相网络、小型化“1 8 0 0 + 9 0 0 j 集成移相器提出一种新型相 控阵方案，并介绍了相位虚位技术、随机馈相技术及幅度虚位技术在 相控阵馈电中的应用。 1 3 2 研究方法 以微波传输线理论及电路分析方法，h f s s 、i e 3 d 、a d s 等数值电磁仿真 软件进行理论分析与仿真设计，以加工、测试实验样品作为验证方式。针对研 究内容和技术需求，采取单元设计和整体优化结合，电磁仿真与加工、测试相 结合的方法。对于功分移相网络的设计，实现窄带向宽带拓展、较少路功分向 较多路功分拓展、小角度移相向大角度移相拓展、单比特移相向多比特移相拓 展。 第2 章支节加载型m e t a m a t e r i a l 非线性色散特性研究 第2 章支节加载型m e t a m a t e r i a l 非线性色散特性研究 2 1 支节加载传输线非线性色散特性 2 1 1 支节加载传输线非线性色散特性现象研究 不。 作为基本现象，首先分析了传统微带传输线的散射特性，结构如图2 1 所 图2 1 传统微带传输线结构参数 微带传输线参数：介质层厚度h = 0 2 5 4 仇m ，介电常数e r = 2 2 ，特性阻 抗z o = 5 0 b ，传输线长度f = 2 2m m ，微带线宽度w = 0 7 8m m 。图2 2 是h f s s 中仿真的s 参数，选取频率范围为0 4 0 g i - i z 。 0 1 0 一2 0 q 二- 3 0 生 警- 4 0 蔓 。5 0 - 6 0 7 0 2 0 0 1 5 0 奄1 0 0 苎5 0 = 寻。 蚤5 0 导1 0 0 1 5 0 - 2 0 0 f r e q u e n c y ( g ( a ) 幅度 图2 2 传统微带传输线s 参数 1 5 2 02 53 03 54 0 f r e q u e n c y ( g h z ) ( b ) 相位 普通无损微带传输线在整个频带内全通，且传输相位随频率线性变化。下 面分析在图2 1 的传统传输线上加载一个开路支节后的散射特性，结构如图2 3 所示。 第2 章支节加载型m e t a m a t e r i a l 非线性色散特性研究 f l d p ! 7。 图2 3 支节加载传输线结构示意图 微带线参数：介质层厚度h = 0 2 5 4 m m ，介电常数，= 2 2 ，特性阻抗 z o = 5 0 0 ，传输线长度f = 2 2 r a m ，微带线宽度w = 0 7 8 r a m ，加载支节长度 d = 5 4 m m 。图2 4 是在h f s s 仿真的s 参数，选取频率范围为0 4 0 g h z 。 0 1 0 兽 冒一2 0 哿 蔓 3 0 4 0 051 01 52 02 53 0 3 54 0 f r e q u e n c y ( g h z ) ( a ) 幅度 2 0 0 1 5 0 1 0 0 苎5