电子工程学院研究生论文综述高金瑞

1、电子工程学院研究生论文综述姓名：高金瑞学号：200820201060学科：电磁场与微波技术综述题目：稀疏化相控阵实现研究论文综述导师意见：导师签字：日期：阵列稀疏技术是指从线阵或面阵中去掉一些辐射单元，目的在于降低天线造价。这种技术能在系统造价增加最少的情况下保证测角精度。稀疏阵的设计方法是按某一规则在满阵的辐射单元位置保留或去掉辐射单元。稀疏阵中单元的位置一种是完全随机确定，另一种是根据有规则格栅结构确定。与阵列单元完全随机配置的设计相比，用规则栅格作辐射单元位置有三个重要优点：第一，可以采用成本较低的，行列波控技术；第二，能更好地控制阵列天线波瓣图设计；第三，可以简化阵列结构，便于结构设计

2、。在稀疏阵中不放置辐射单元的位置上并不是空的，而是放置了虚单元(无源单元)。这些虚单元的存在使有源单元具有与满阵情况一样的周围环境。有源单元后接TR组件，无源单元后接负载。正是由于有源单元不规则布置，造成天线结构的不规则，使得稀疏阵列天线的结构设计不同于一般的相控阵天线。 随着卫星通信、遥测、遥控技术的发展，原始的线极化天线已经面临着云雨干扰、剧烈震动、影响重叠等问题带来的挑战，而圆极化天线由于其极化性能可以在面对这些外来因素干扰时表现出优异的特性，从而满足在通信、雷达、电子对抗、电视广播等方面的更严格更精密的探测或传输要求。因此，对于圆极化天线的研究有着重大而深远的意义。 在圆极化的电磁特性

3、中，我们着重考虑其以下的一些优势： 一是任意的极化电磁波均可分解为两个旋向相反的圆极化波，如对于线极化波来说，可以分解为两个反向等幅的圆极化波。因此，任意极化的电磁波均可被圆极化天线接收，而圆极化天线发射的电磁波则可被任意极化的天线接收到。这样，就为高效、准确、快速传输数据提供了一个很好的传输平台。 二是圆极化波入射到对称目标时，其反射波会发生旋向反转。圆极化波探测的目标一般是比较复杂的结构，它对圆极化波的反射波是椭圆极化波从而具有同旋向的圆极化波成分。正是由于这个特性，圆极化波工作状态下的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。这在电子侦察和干扰方面具有重大的战略意义。天线实现圆极化的方法一般分为2类：

4、(1)通过双馈点或多馈点设置不同的馈电相位来实现，这种实现圆极化的效果很大程度上取决于相移电路，增加了天线系统复杂度和制造成本。(2)通过在同一副天线上实现不同的谐振模式来实现圆极化，这种方法不需要相移电路和多个馈点，馈电电路结构简单，但对天线辐射单元的设计精度要求较高。因此选择电磁仿真算法尤其重要。能够作为圆极化相控阵天线阵元的有交叉偶极子（十字交叉振子、折尾十字交叉振子、振子臂向后倾斜45°的交叉偶极子等）、圆形或方形波导（加圆极化器）以及螺旋线等。单元天线对阵列具有调制作用，对大范围扫描的相控阵天线阵，需要单元波束尽可能的宽。波导形式的阵元比较适用于工作在比较高频率，通常采用方

5、或圆波导及其变形。由于阵元两个方向尺寸相同，故当要求宽带宽扫描角扫描时，波导必须加载。也可采用矩形波导，但是由于对称性的不足，使得在平行于波导长边和短边的两个扫描平面内匹配要求和特性是不相同的。波导型阵元口径场易于用解析函数表示，因而能用计算方法设计，容易使性能达到最佳，适合宽带要求，并且结构简单，机械强度好等。双臂螺旋天线全向波束增益的最大值在水平面上，而蝶形天线的波束的最大值偏离了水平面并且在水平面的正上方有一定的增益，可以以牺牲天线的增益为代价，通过改变螺旋天线的参数来拟制低仰角的辐射同时增大正上方的辐射增加上半空问的波束宽度实现宽波束4。此外，日本学者Hisamatsu 在研究中发现少

6、匝数和小螺距角相结合的螺旋天线同样可以辐射良好的圆极化波89。图1-1，图1-2是螺旋天线的几种单元形式。图1-1 双臂螺旋天线 图1-2低剖面螺旋天线构成的平面阵及其单元阵列分析中单元间互耦在设计中是不能忽视的，图1-3显示了阵列中单元相互之间的互耦。互耦是制约着阵列天线性能的一个重要因素。严重的互耦会导致天线在某些扫描角上辐射波完全对消，而导致阵列盲区现象。进行必要的互耦分析是阵列天线设计中的一个重要的环节。相控阵天线的严格的理论分析方法可以分为两种：逐元法和无限阵的方法。逐元法计算结果相对精确，但这种方法只适用于小阵的分析，当阵列规模较大时，逐元法变得非常复杂，计算效率非常低。因此逐元法

7、的工程应用价值非常有限。无限阵的方法是分析大型相控阵的有效方法，由于实际的相控阵天线往往有相当多的辐射单元，对于阵列中个一个单元来说，它的周围有许多其他单元。理论分析和实际测量都说明，对一个单元有实际影响的只是它附近的几个单元。其他相距较远的单元影响都很小。因此在研究一个大阵列中的单元时，除了位于阵列边缘的单元以外，都可以认为它是位于无限阵列中的一个单元。其次无限阵列所辐射的电磁波是均匀平面波，它是电磁波中最简单的一种波，便于对它进行分析。无限阵列又是一种周期结构，因此可以应用Floquet定理求解阵列上部空间的场。求出阵列波瓣在扫描时的有效导纳或阻抗与扫描角、单元间距等参量的关系，各单元的互

8、耦分析问题也就解决了。图1-3 单元间的互耦除了理论方法，也可采用实验的方法分析。小阵分析方法是分析大型阵列应用较多的方法。按照选用的单元形式建造一个小型阵，用小阵中心的单元的性能来预测大阵元的性能。其准确程度取决于小阵的单元数目。通常小阵的单元数有11x11，9x9，不等。其原则是用尽量少的单元，测得必要的性能，进而能对大型阵列的性能进行分析预测。确定互耦是利用散射参量法。其基本方法是，首先构成一个能反映一定耦合程度的小阵，在单元j输入激励，其他单元i接匹配负载的条件下，通过（仿真）测量两个阵列单元的Sij参数来确定其互耦大小（见图1-3）。有源反射系数有源反射系数可以用散射矩阵S的元素和激

9、励向量a的元素表达： （1.1）其中代表单元j在阵列中的坐标，是自由空间的波数，是阵列单元数，为扫描角。在阵中选取三个子阵进行仿真（测量），如图1-4所示，一个在阵列中间，其余的位于边缘。每一个子阵中的仿真（测试）单元和其他单元的耦合系数均要得到。如子阵1为11×11的阵列，121个单元在工作频段内将得到120个耦合系数。图1-4 确定耦合系数的三个子阵选取扫描特性的测量根据式（1.1）分析阵列单元的有源反射系数。图4-4是文献7在中心频率处根据理论推算的测量有源反射系数。图中可以看出实测结果曲线沿着无限阵的计算结果曲线上下波动。显然这是因为只测量了有限个单元的耦合系数的缘故。通过测

10、量和计算结果的对比可得出结论，阵列可以在0.3范围内实现方位面和水平面120°的扫描。图1-5 子阵1的E面H面中心单元有源反射系数的理论值和实测结果(f=)与有源反射系数密切相关的是阵列的扫描损耗。计算公式为： （1.2)由上式可知，匹配良好的阵列的扫描损耗为的余弦分布。单元方向图的仿真（测量）对互耦影响的分析，可通过确定阵列天线的有源单元方向图来进行。除了测试单元其他单元都接匹配负载，分别对E面（=90°）、H面（=0°）和D面（=60°）方向图进行了测量。图1-6是在f=下，测得的靠近阵列中心的64个单元的H面单元方向图。图1-7是取其中的一个单元

11、的单元方向图与无限阵分析的结果对比。两幅图中可以看出，单元方向图因为互耦效应和阵列边缘的衍射而导致的波动。图1-6 64个单元的H面测量单元方向图（f=）图1-7 H面单元方向图的理论值和测量值（f=）阵列性能计算从测得的单元方向图，完整的阵列辐射特性可以得到，总的方向图和单元方向图的关系如式（4.4）。 （1.3）其中 。从文献7结果（图1-8）来看，利用单元方向图综合出来的总的方向图和测试结果较为吻合。 图 1-8 文献7结果参考文献1林昌禄,宋锡明.圆极化天线.北京:人民邮电出版社,1986: 852Gangadharan,T.S.Broadband end launcher for X

12、 band rectangular waveguide.Electronics Letters,1982: 354 - 3553M D Deshpande,et al.Analysis of an end launcher for an X-band rect-angular waveguide.IEEE Trans on MTT,1979:731-7354杨小龙,浅析功能多样的双臂圆柱螺旋天线.2007年全国天线年会,2007:129-133 5赵柳,刘庆想,陈晓波,李相强.X波段4单元矩形径向线馈电螺旋阵的设计.西南交通大学学报,2008:788-6926徐瑞敏,唐璞等.微波技术基础.北京

13、:科学出版社,2009：34-477dr. A.B. Smolders.Design and construction of a broadband wide-scan angle phased-array antenna with 4096 radiating elements .Phase array and Technology,1996 :87-928 Hisamatsu Nakano.Helical and Spiral Antennas-A Numerical Approach.Research Studies Press,1987：2-319Hisamatsu Nakano, Haruo Takeda, et al. Extremely low-profile helix radiating a circularly polarized wave. IEEE Trans on A ntennas and Propagation ,1991 : 754-75610刘昊,鲁加国等.宽带端馈式同轴矩形波导天线单元的研究.电子学报,2003:1365-136711林昌禄,陈海,吴为公.近代天线设计.北京:人民邮电出版社,1990:135-13612 Robert K