基于大口径阵元天线阵空间功率合成技术

【摘要】：科学研究和军事需求推动着高功率微波朝着更高频率、更高峰值功率方向迅速发展,很多方面的应用都需要极高功率的支持。空间功率合成是提高等效辐射功率的有效途径,而阵列天线是实现高功率空间功率合成必须攻克的关键技术之一。受到功率容量的限制,传统相控阵天线很难在高功率微波领域获得直接应用,只有结合现有的相控阵天线技术和高功率微波技术才能设计出满足高频段、高功率容量的阵列天线合成方案。在此基础上,本文提出采用可波束扫描的大口径天线作为辐射阵元,由锁相高功率微波源通过传输波导和高功率移相器向每个辐射阵元馈电,在空间进行辐射功率合成。该方案具有天线单元功率容量高、波束可扫描、阵元数量少、布局容易等优点。论文对该方案进行了详细的理论分析、数值优化和应用探索。研究内容主要包括以下几个方面:1、布阵形式的选择为了满足工作在Ku频段时数GW高功率容量的要求,提出采用大口径天线作为辐射阵元,在大阵元间距条件下,选择圆环阵布阵形式进行组阵实现空间功率合成。理论分析得出圆环阵能产生单波束方向图,有效地避免栅瓣的产生所造成的能量浪费。2、单圈圆环阵辐射特性分析研究了大口径阵元条件下圆环阵各参数对其辐射特性的影响,包括原点处天线单元的放置、圆环半径大小、单元数量、稀疏率、角向位置等。研究表明:在原点处放置天线单元可以降低主瓣附近副瓣电平;圆环半径越大,主瓣宽度越窄,副瓣级数越多;单元使用数量为偶数时,远离主瓣位置的零星高副瓣个数为单元数,单元使用数量为奇数时,零星高副瓣个数为单元数的两倍,且副瓣电平较低;布局稀疏率越大,副瓣电平越高;圆环半径相同时,调整阵元的角向位置的改变可以调节高副瓣和主瓣的距离,增加圆环阵布阵的灵活性。3、两圈圆环阵的设计研究了两圈圆环阵的设计方法。在设计时可以根据实际情况先设定外圈圆环的半径,然后调节内圈圆环的半径,使内圈圆环阵方向图的第一零点尽量落在外圈圆环的第二零点处,然后根据高副瓣的出现位置调整各圈单元使用数量和角向位置,通过场相消来降低副瓣电平。在此基础上,进一步研究了旋转圆环阵的设计方法,使圆环阵的排布紧密化,实现单元使用数量较少,宽波束、低副瓣辐射。4、空间功率合成应用探索对大口径阵元天线阵实现空间功率合成的方案进行了应用探索。首先,运用遗传算法建立了天线阵布局优化程序,运用该程序得到优化结果:在工作频率为15GHz、天线单元口径为90l的条件下,同心圆环阵辐射方向图副瓣电平约为-18d B,单元使用数量为47个;旋转圆环阵辐射方向图副瓣电平约为-17d B,单元使用数量为22个;天线单元口径为200l时,副瓣电平约为-15d B,单元数量为8个。在此基础上,进一步分析得到阵元激励相位的微扰、主波束扫描以及位置误差对阵列天线远场辐射方向图的影响.研究还表明,在条件允许的情况下,可以适当增大天线单元口径,减少单元使用数量,降低系统成本。研究结果初步验证了大口径圆环阵实现空间功率合成的方案是可行的。
【关键词】：高功率微波 阵列天线 功率容量 圆环阵列 空间功率合成
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN820;TN73