【摘 要】
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相控阵天线具有高增益和波束扫描等特性,广泛地应用于相控阵雷达、无线通信等多个方面。而具有低剖面、宽角扫描特性的相控阵天线有着很强的应用需求,也是相控阵领域的难点。本文通过镜像原理和阵列可实现增益的分析,研究了低剖面相控阵的阻抗特性和扫描特性,围绕具有稳定扫描增益的宽角低剖面相控阵的设计展开研究。主要工作概括如下:1.通过研究相控阵的可实现增益,提出了一种构造边射方向中心凹陷的“马鞍”形有源单元方向
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相控阵天线具有高增益和波束扫描等特性,广泛地应用于相控阵雷达、无线通信等多个方面。而具有低剖面、宽角扫描特性的相控阵天线有着很强的应用需求,也是相控阵领域的难点。本文通过镜像原理和阵列可实现增益的分析,研究了低剖面相控阵的阻抗特性和扫描特性,围绕具有稳定扫描增益的宽角低剖面相控阵的设计展开研究。主要工作概括如下:1.通过研究相控阵的可实现增益,提出了一种构造边射方向中心凹陷的“马鞍”形有源单元方向图来减小波束扫描时的增益波动的方法。2.设计了一款基于等效磁流元的E面宽角扫描相控阵天线。该天线的辐射贴片通过密集的金属化通孔与地板相连,实现了等效磁流元的基本工作模式,从而使阵元具有了E面宽波束的特性。通过组成沿E面均匀排布的十单元相控阵,证明了这款低剖面相控阵的宽角扫描能力。并通过分析有源驻波、有源单元方向图等参数研究了互耦对于波束扫描特性的影响。3.设计了一款具有特殊波束形状的低剖面偶极相控阵天线。首先通过研究电偶极子天线的辐射特性,发现了在一定剖面下其H面方向图具有宽波束特性和可控凹陷深度的“马鞍”形状的特性,从而采用电偶极子作为H面线阵的基本单元。之后利用人工磁导体结构降低了剖面高度,并在保持了H面方向图特性的前提下,展宽了E面的方向图。其次为适应剖面高度要求严格的场景,通过调整人工磁导体单元数目,设计了一款剖面高度仅为0.06λ的宽波束偶极相控阵单元。然后通过去耦合结构降低了相邻单元的互阻抗,使得在工作频带内的相邻单元之间的传输系数低于-23dB。之后为了解决平衡馈电问题,利用共面波导的思想设计出一款带新型平面巴伦的电偶极子。通过分析波束扫描特性与“马鞍”形有源单元方向图和阵元数目的关系,证明了“马鞍”形方向图有利于波束扫描的增益平稳,并且可以通过调整单元方向图的凹陷深度,减少所需扫描范围的增益波动。最后组成1 10的H面阵列并进行加工测试,测试与仿真结果表明在天线剖面为7.5mm的情况下,其3.5GHz和3.6GHz的相对于最大主极化增益下降3dB的波束扫描角度分别达到了±87度和±92度,且每个单元在所有给定扫描角下的有源反射系数均小于-10dB。所设计的相控阵天线具有低剖面、宽角扫描、宽角匹配、增益平稳、馈电平衡的特点。
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