平面相控阵宽角扫描技术

宽角扫描技术是近年来平面相控阵研究领域的热点和难点。从2008年起,电子科技大学计算电磁学团队便开展了相关研究工作,提出了利用方向图可重构技术突破平面相控阵宽角扫描瓶颈的理论和实验方案,并逐步发展了基于电磁镜像原理、表面波辅助设计、磁流源技术、非周期阵列和时间反演自适应优化等理论和方法,用于实现平面相控阵宽角扫描。文章回顾了该团队在平面相控阵宽角扫描领域的研究历程,并对其研究发展做出展望。     

一款具有稳定扫描波束分辨率的宽视角相控阵天线北大核心CSCD

基于自适应稀疏阵的结构,提出了一种具有宽视角与稳定扫描波束分辨率性能的相控阵天线。阵列单元是可以在相同谐振频率下实现TM;和TM;两种模式共同工作的单激励圆环贴片天线,其具有140°的半功率波束宽度,这种宽波束辐射效果能够较好地拓展相控阵天线的扫描范围。基于此单元构建了一个35元线阵,对其波束扫描分析发现在限定增益波动小于2 dB的条件下阵列扫描范围可以达到-70°~+70°,但主瓣波束宽度随着扫描角度的增加而增大。为解决这个问题,引入了自适应稀疏阵的概念,并采用基于互耦补偿矩阵的迭代快速傅里叶变换(Iterative Fast Fourier Transform,IFFT)技术进行自适应稀疏阵的优化设计。结果表明,所提出的基于自适应稀疏阵结构的35单元相控阵天线在-60°~+60°扫描范围内增益波动始终小于1.5 dB,波束宽度波动小于1°,且峰值旁瓣电平基本保持在-20 dB以下。相较于均匀周期阵列,所提出的自适应稀疏相控阵天线能够在实现低旁瓣宽视角扫描的同时,有效提高天线在宽角度范围内扫描波束分辨率的稳定性。     

基于部分极化转换表面与部分反射表面的宽带高增益圆极化天线设计

该文介绍了一种具有部分极化转换与部分反射功能的超表面结构,并将其应用到具有宽带高增益性能的圆极化法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔天线设计中。所设计的超表面在反射地板存在时能够表现出反射型部分极化转换功能从而用于F-P天线的圆极化源设计,而当反射地板被移除时其具有部分反射功能因而能够作为F-P天线的部分反射表面。通过在部分极化转换表面上方放置矩形贴片并加载寄生贴片与部分反射表面,辐射源贴片的线极化辐射能够被转变为高增益圆极化辐射,并且天线的阻抗带宽与轴比带宽均得到加强。所设计的天线经过仿真、加工与测试,测试结果表明其阻抗与轴比带宽分别为6.8～8.4 GHz (21.3%)和6.8～8.3 GHz (19.9%),峰值增益达10.5 dBi。     

理想仿真模型同天线课程教学的融合

在“天线原理与设计”课程的教学中,本文提出了构建理想仿真模型的方法,将电磁仿真同理论教学相融合,消除了实际模型中引入的次要因素的干扰,可以帮助学生更好地理解天线理论。本文设计了同理论知识学习相结合的探究式仿真实验,将以教为主转化成以学为主的模式,促进学生更好地完成天线课程的学习。     

基于互耦补偿策略的IFFT算法及其应用

介绍了一种基于互耦补偿矩阵(MCCM)的迭代快速傅里叶变换(IFFT)技术,并将其应用于宽角度扫描相控阵的低旁瓣综合中。首先,在所提出的综合方法中,将互耦补偿矩阵引入到IFFT技术中以考虑阵元间的互耦效应,使考虑互耦的阵列远场重新满足方向图乘积原理。然后,提出了一款基片集成波导背腔结构的宽波束天线单元,该天线能够同时激励起TE₁₁₀与TE₂₁₀两种模式从而展宽其工作频带且具有宽波束性能,并且基于此单元分别建立了阵元数为35,75,100的宽角度扫描相控阵天线。最后,利用所提出的IFFT技术对这三个相控阵进行低旁瓣综合。与基于有源单元方向图遗传算法的对比结果表明,在−60°到60°的扫描范围内均能实现低旁瓣电平,并且IFFT优化算法具有更快的速度。     

一种用于Ku波段角锥天线方向性增强的结构设计

为了提高传统角锥喇叭的增益性能,设计了一种基于相位补偿方法的外置结构。从中心频点处的相位分布出发,通过在传统角锥喇叭口径面上外置镂空的同心圆柱,改善相位分布,从而实现频段内各个频点的相位补偿。选择Ku波段角锥喇叭天线作为初始模型,使用Ansoft公司的三维电磁仿真软件HFSS对外置加载结构进行仿真优化验证。仿真结果表明该天线在13～17 GHz频段内的增益平均提高了2.99 dB,中心频率处的增益提高了3.27 dB。与采用双负媒质结构的方法对比,可以实现更好的方向性。     

C/Ku波段共口径宽角度扫描相控阵天线

设计了一款具有高功率容量与宽角度扫描特性的C/Ku双频段共口径平面相控阵天线。在同一辐射口径内,相控阵天线包含有基于平面偶极子单元的C波段4×4阵列,以及基于混合零阶谐振贴片单元的Ku波段8×9阵列。所设计的相控阵天线的宽角度扫描性能归功于双频段阵元天线的宽波束辐射特性。下层混合零阶谐振贴片天线既能作为Ku波段的宽波束辐射单元,又能够为C波段的偶极子天线提供零反射相位,进而基于镜像原理拓宽偶极子天线的波束宽度。并且,对天线进行了介质埋入式设计,避免了空气击穿以提高天线系统功率容量。全波仿真结果表明,所提出的共口径相控阵天线在C和Ku双频段均实现了±45°的波束扫描,增益波动小于3 dB,天线阵列在各单元输入功率之和为1 W时功率容量达18.9 MW。