基于负群延迟网络的相控阵设计

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随着现代战争的发展,人们对于相控阵雷达的性能要求越来越高,具有宽带宽波束角度扫描功能的相控阵天线设计已经成为人们的研究重点。本文中利用负群延迟网络的超前相位特性设计出低延迟的实时延迟线,并将其应用于相控阵系统中,消除天线阵宽带工作时的波束偏移现象。主要研究内容如下:1、基于串馈直线相控阵原理,介绍了波束扫描阵在宽带工作时的孔径效应与相应的时延解决方案;通过仿真分析验证了阵元间延时差与天线波束指向之间的关系,纠正了部分文献中对时延相控阵的理解误区,并介绍了基于负群延迟网络的实时延迟线设计方案;对一种基于负群延迟网络的宽带宽波束时延相控阵做具体的指标分配与关键技术分析。2、基于集总结构的负群延迟网络设计了一款在1-1.5GHz频带范围内,具有3dB增益和0ns延迟的实时延迟线;对负群延迟网络的结构与设计方法提出了改进,并采用分布结构设计了一款在2.6-4GHz频带范围内,具有0dB增益与0.06ns延迟的实时延迟线,相对于集总结构来说具有负群延迟单元数少、增益与延迟平坦度高的优点。3、采用周期性高低阻抗结构的慢波微带传输线与射频开关芯片,设计了针对于时延扫描相控阵的开关式时延移相器,其移相单元与蛇形线结构的微带传输线相比具有结构尺寸小,插入损耗低的优点;提出了一种采用椭圆形缝隙结构实现的小型化锥削缝隙天线设计,其纵向尺寸相比于传统的指数渐变结构缩减了50%,并通过加载周期性缝隙结构改善了天线在低频处的定向辐射特性,最后基于该天线单元仿真分析了四单元线阵在宽带和宽角度扫描工作时的性能。4、基于以上模块设计完成相控阵系统的搭建与测试。测试结果表明,基于负群延迟网络设计的相控阵可以在2.6-4GHz的宽带范围内实现固定的波束指向,大大减小了孔径效应对天线方向图的影响;通过切换不同的移相通道改变阵元间馈电的延时差,理论上能够实现±60°的宽角度扫描。
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