船载有源相控阵天线与通信天线的研究

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论文结合科研项目进行选题研究,文中研究了船载有源相控阵天线与通信天线的设计问题。在研究船载有源相控阵天线中,分析了船体平台对船载有源相控阵天线电特性的影响,依据分析结果给出了降低天线雷达散射截面(Radar CrossSection,简写为RCS)的有效方法;在研究通信天线设计中,改进了原天线的设计方案,针对不同的使用用途,改进后的天线具有宽带、高增益、波束扫描等特点。论文的主要研究工作分为两个部分。第一部分研究工作为船载有源相控阵天线的设计与研制;第二部分研究工作为通信天线的设计与研制,其中包括了防洪减灾点对点通信天线、直升机搜救通信天线、无线通信的超宽带终端天线以及弹载宽带高增益阵列天线。作者的主要研究工作和成果为:1.在船载有源相控阵天线的设计与研制中,第一个研究成果为研制了外围具有金属背腔的新型天线单元,实现了对天线单元的波束控制,同时提高了天线单元及单元子阵间的隔离度。所设计的阵列天线具有大于21.3dB的扫描增益,实现了方位面-450~450的波束扫描;第二个研究成果为降低了天线阵面的RCS。文中改进了常规的安装方式,采用倾斜安装的方式有效地降低了天线阵面的RCS,使原来的RCS从10000m2降到100m2;第三个研究成果为天线外表面与船体完全共形。为此采用了平行四边形截面的安装嵌槽结构,一方面有效地降低了阵列天线的RCS,同时实现了阵列天线与载体平台的共形。在此研究基础上,加工了天线单元和单元子阵的实验样机,并对该样机进行了电性能测试,测试结果表明天线工作频段为UHF波段,扫面范围为-450~450,扫描增益大于21.3dB,阵列天线在X波段的RCS为50m2,满足设计指标要求并已在工程中得到了应用。2.提出了基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,简写为SIW)馈电的单缝隙耦合圆极化椭圆介质谐振天线形式。针对防洪减灾微波点对点通信系统的要求,天线应具有宽带圆极化的特点。文中采用最新的SIW馈电方法,设计了单缝隙耦合馈电圆极化椭圆介质谐振天线。采用HFSS仿真软件对阵列天线进行了一体化仿真设计。设计结果表明,在9.4GHz±350MHz频率范围内,天线增益大于18.5dB,轴比小于3.3dB,在设计的基础上,加工了天线实验样机,实测结果表明阵列天线的增益大于18.2dB,轴比小于3dB,满足通信系统的设计需求并在实际工程得到了应用。3.基于SIW,提出了馈电方式简单的宽带频率扫描微带阵列天线的新的设计方法。针对直升机搜救通信系统的设计要求,天线方向图波束应具有电扫描的特点。文中采用SIW馈电技术,设计了宽带频率扫描微带阵列天线。在仿真设计满足要求的基础上,加工制作了实验样机。实测结果表明,阵列天线在8.5GHz~12GHz的频带内,在方位面实现了-160~160的波束扫描特性,扫描增益大于12.7dB,满足工程要求。4.提出了边缘渐变小型化超宽带印刷天线的新形式;基于窄缝隙、半模SIW和SIW三种类型的谐振结构,提出了三种具有陷波特性的超宽带印刷天线。采用HFSS仿真软件对这些天线进行了设计仿真,在此基础上,加工了实验样机,实测结果表明天线的工作频带大于3个倍频程,因此具有超宽带特性。天线在陷波频段内电压驻波比的峰值分别达到了11.7、9.8和28.9。5.提出了基于SIW的改进型超宽带径向波导功分器,改进后的相对工作带宽达到了62%(改进前为5.7%)。并将该成果应用于弾载定向天线(最大辐射方向指向弹尾)的研制,采用HFSS仿真软件对四单元弹载微带阵列天线进行了天馈一体化仿真设计,加工了实验样机,实测结果表明天线在8.7GHz~11.3GHz频带内,增益大于11dB,波束覆盖大于310,满足了弹载通信系统的技术指标要求并在实际工程中得到了应用。
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