高功率微波大口径相控阵天线拍波辐射方法研究

相控阵天线是未来高功率微波辐射系统的重要形式之一,是当前研究的热点。为了获得超高等效全向辐射功率,高功率微波天线均为大口径形式。而大口径相控阵天线在辐射高功率微波拍波过程中,存在波束分裂、增益下降问题。针对该问题,本文提出了一种大口径相控阵天线拍波辐射结构,采用“子阵-面阵”两级馈电形式,解决了拍波辐射过程中波束分裂问题,有效提高了高功率微波系统的综合性能。该方法极大地节约了移相器数量,节省了系统成本,降低了系统复杂度,有利于实现高功率微波系统的小型化,提高系统的可靠性。

大型双板导波天线对核电磁脉冲传输损耗和畸变特性

大型导波核电磁脉冲模拟器可为系统级装备试验提供自由空间辐照环境。针对此类模拟器常用的双板导波天线可能存在的传输损耗和波形畸变问题,以电磁仿真软件和算例对比分析研究了3种主要的影响因素,包括土壤的介电损耗及其抑制、前锥板向平行板转折的结构不连续、线栅阵列代替金属板的缝隙泄漏。研究结果表明:对上下极板等宽的情形,土壤损耗可使电压传输效率降低25%以上;适当展开下极板宽度可屏蔽土壤损耗;上极板转折处的结构不连续可导致平行段试验空间内电场呈现双峰交叠、幅度降低、波形畸变等特征;最大线间距0.3 m不会导致前沿显著变化。作为工程应用案例,设计了前锥长度60 m、顶高15 m、下极板拓宽3 m、由100根线栅阵列构成上极板的导波天线,试验空间超过20 m×20 m×10 m,实现了前沿2.5~3.0 ns双指数脉冲的无损耗、无畸变传输。

加载超表面的宽带低剖面双极化交叉偶极子天线

该文提出了一种加载超表面(MetaSurface,MS)的宽带低剖面双极化交叉偶极子天线.天线由三部分结构组成:1对交叉偶极子、4个寄生贴片和超表面结构.交叉偶极子用于实现天线的双极化特性.通过在交叉偶极子上方加载寄生贴片和在偶极子臂处开槽,扩展了天线的阻抗带宽.同时将交叉偶极子下方的金属反射板替换为超表面,实现了天线的低剖面.为了提高馈电端口间的隔离度,引入了4个金属短路柱.仿真和测试结果表明,天线|S_(11)|<-10 dB的阻抗带宽为42.5%(2.26~3.48 GHz),在带宽范围内端口隔离度和交叉极化分别大于21 dB和小于-31 dB,天线的整体尺寸只有0.5λ_(0)×0.5λ_(0)×0.074λ_(0)(λ_(0)为工作频率2.9 GHz时对应的自由空间的波长).

基于最优解区间预筛选的代理模型辅助天线设计优化算法

针对天线优化中全波仿真计算耗时过多的问题,文中提出了一种基于数据约束的代理模型辅助进化算法(SAADC)以实现天线优化设计中效率的提升。首先采用增强随机型差分进化算法,以保证数据生成的随机性与多样性。进一步通过高斯代理模型对仿真结果进行预测,并利用最优解区间预筛选方法舍弃预测结果中较差的个体,以实现算法收敛速度的提升。最终利用所提出的SAADC,对三个不同拓扑结构E型贴片天线的带宽与增益进行了优化设计与结果分析。结果表明,所提出的算法比现有的代理模型优化算法具有更快的优化速度与更佳的优化结果,可满足天线结构高效优化的实际需求。

用于多波段的多模式频率可重构天线

为了应对频率可重构模式单一,尺寸偏大,工作频段较窄等问题,基于传统的微带缝隙天线,通过对其进行结构的改造,设计并实现了一种应用于C,S,X,Ku波段的多模式频率可重构微带缝隙天线。天线为叉型结构,分别在3个叉形枝节和微带线之间嵌入PIN二极管,通过控制二极管的导通状态,使天线具有4种不同的模式,分别对应于单频带、双频段、三频段和四频段。此天线尺寸为20mm×22mm,较传统缝隙天线体积减少了20%以上,实现了小型化。天线在工作频点处的最大增益可达5dBi,具有良好的辐射特性。

基于PIN管的1-bit波束可重构反射阵

针对传统反射阵列天线不能灵活地进行波束转向,无法满足部分应用场景需求这一问题,文中设计、制作并测试了一种具有12×12个反射单元的1-bit波束可重构反射阵列。通过在两个尺寸相同的L形结构中间加载PIN二极管实现1位可重构单元,采用Ansys HFSS 15对该单元进行建模和仿真,在4.36 GHz~5.06 GHz频率范围内,单元在PIN二极管导通和断开两种状态下的相位差在180°±25°范围内,并在4.46 GHz和4.96 GHz两个频率下,具有180°相位差。对4.96 GHz进行验证,通过数字控制板独立调节每个PIN二极管,从而实现所需的相位分布。仿真和测试结果表明反射阵可以在4.96 GHz的中心频率下实现±50°范围内的波束扫描,并且在4.76 GHz~5.46 GHz频率范围内,具有相对良好的波束扫描性能。此外,反射阵采用镜面对称排布方式以改善交叉极化,实测交叉极化为-26.7 dB,相比较传统排布方式,交叉极化峰值降低了15.2 dB。

一种等通量波束的多极化可重构天线

随着航天技术的革新,对近地轨道的通信需求逐年增高。近地轨道卫星就在此背景下产生,主要应用于遥感探测天气预报和数据通信领域。由于近地轨道卫星天线辐射波束所覆盖的地球表面是球面,因此波束通常设计为等通量形式。由于卫星通信通常存在极化失配、多径效应等问题,选择多极化而不是圆极化作为近地卫星天线的工作状态能更好地适应复杂的工作环境,保证通信质量,将等通量波束天线和多极化可重构技术结合起来有很大的应用前景。基于一对正交圆极化波能合成线极化波的设计原理,文中提出了一种具有等通量波束的多极化可重构天线,该天线由可重构馈电网络和带扼流环的隔片极化器圆波导组成。馈电网络中嵌入单刀四掷开关(SP4T)与单刀双掷开关(SP2T),通过改变开关的工作状态,馈电网络将给圆波导提供不同的馈电条件,在圆波导内隔片的作用下天线实现两种圆极化与两种线极化的可重构。通过在圆波导口引入扼流环以及波导口作“T”型开槽处理,实现波束赋形,并且保证天线在不同极化状态下辐射等通量波束。实测结果显示,天线在不同的极化状态下-15 dB重叠阻抗带宽14.7%,覆盖4.80~5.56 GHz,方向图顶部在θ为-24°~+24°范围内具有平坦效果,圆极化状态下空间轴比覆盖-51°~+50°,覆盖范围大于方向图顶部平坦范围。天线实测结果与仿真结果有较好的一致性,具有多极化和方向图顶部平坦的优势,可满足移动通信和卫星通信中多极化应用场景的需要。

可用于WLAN的双频MIMO天线设计

设计了一款可用于WLAN的双频MIMO天线。天线的正面为L型单极子,背面为金属接地板。通过在接地板上加载耦合枝节使天线具有双频特性。同时,为了天线的小型化,对耦合枝节进行了弯折处理,减小天线尺寸。在两个天线单元之间加载T型寄生枝节和刻蚀矩形缝隙来提高天线的隔离度。使用电磁仿真软件和矢量网络分析仪对天线进行仿真和实测,结果表明:天线的工作频段为2.4~2.55 GHz和5.1~6.3 GHz,覆盖了WLAN的频段,同时在低频段内隔离度高于19 dB,高频段内隔离度高于25 dB。此外,天线的包络相关系数小于0.01且具有全向辐射特性。天线整体性能较好,可以满足WLAN的需求。

具有谐波抑制功能的多极化微带天线阵设计

本文提出了一种基于切换馈电网络的极化可重构微带天线阵。阵列单元采用正方形辐射贴片,利用微带线缝隙耦合进行馈电,通过在馈电结构中心加载短路柱,可获得宽带性能的同时,有效抑制偶次谐波。综合采用串联组阵和并联组阵技术,优化设计了一款2×2的天线阵列,将阵列端口分别与微带分支线耦合器及微带混合环相连,最终实现了水平和垂直线极化,左旋和右旋圆极化四种模式的切换。实验结果表明,所提出的天线在ISM频段2.4~2.5 GHz频率范围内获得了良好的匹配和多极化特性。该天线阵设计简单、易于操作,可潜在应用于无线通信系统中天线极化分集的场合。

一种基于5G应用的圆极化微带相控阵天线

本文提出一款应用于5G频段,可实现方位面±40°波束扫描的圆极化微带相控阵天线。该相控阵天线单元是由矩形贴片、上下介质板、缝隙耦合馈电结构、金属反射板构成。利用切比雪夫综合法的一分八不等分功分器实现相控阵天线的馈电形式。测试结果表明,阵列天线的驻波比带宽为3.25 GHz~3.69 GHz,端口隔离度大于25 dB,扫描过程中增益最大为21 dB,增益衰落小于3 dB,最大扫描角处轴比为2.89 dB。该天线具有低剖面、高隔离度、高增益以及良好的波束扫描性能等优点。

新型微带四面阵天线设计

在无线通信系统中,微带天线备受青睐。文章设计的微带四元阵在水平面上有全向的方向图,且极化方式为垂直极化。该天线的每个阵面都是采用串并结合的微带矩形贴片天线形式,并通过短路加载的方式实现天线俯仰面方向图在上半空间绝对增益大于-10.5dBi。测量结果显示,设计的天线在工作频率1090MHz时,电压驻波比小于1.5,方位面最小增益大于7dBi,前后比≥25dB。

低成本接收阵列方向图测试系统与方法

采用传统的相控阵测试方法对数字阵列及数字波束合成进行测试,存在系统复杂、设备齐套周期长、问题难解耦等弊端。因此,对于数字阵列及相关算法,需要一种不依赖天线和物理环境,且能够以低成本和高效率,在系统开发中期完成相关性能评估和迭代的方法。给出一种基于阵列信号模拟技术的低成本接收阵列方向图测试系统,并提出了随机虚拟相移技术用于解决测试精度不足的问题。基于简要的理论分析、给出了测试平台构成和测试流程,并通过仿真和实测验证了方法的有效性。

硬质探空落球数传系统天线设计方法

针对硬质探空落球高空惯性运动工况及落球内部有限安装空间下的无线传输需求,给出了适用于临近空间气象探测落球数传系统的天线设计方法。该方法采用中心对称曲折线振子天线技术方案,解决了在狭小空间内实现全向天线覆盖的难题。实验结果表明,该方法有效解决了落球在空中下落过程中由于姿态变化引起的信号起伏大从而影响无线信号可靠传输的问题。

增材制造的多波束透镜-天线系统

多波束微波天线因其在通信系统中的广泛应用而备受关注。提出了一种多波束透镜-天线系统,可同时满足宽带宽和宽扫描角度要求。透镜由增材制造的球形层构成,以实现折射率梯度变化。设计了不同工作频率的柔性贴片天线作为透镜的馈电端,柔性馈源与球形透镜表面可紧密贴合在一起,实现共焦平面。多频段馈源测试结果表明该透镜-天线系统可在2~10 GHz的带宽范围内工作。该透镜-天线系统在测试中发射指向-72°、-36°、0°、36°、72°的波束以进行验证,其在最大扫描角度附近增益损失小于3 dB,仿真结果和测试结果具有良好的一致性。研究结果表明该透镜-天线系统在微波和毫米波移动通信和遥感等领域具有广阔的应用前景。

一种基于SIW技术的滤波天线设计方法

文中基于基片集成波导(SIW)技术提出了一种滤波天线设计方法。首先根据传统耦合矩阵综合法设计出SIW滤波器,然后结合半模基片集成波导(HMSIW)技术设计出滤波天线。该方法简单有效,并且能够额外引入一个传输零点,使滤波天线的频率选择性得以提高。文中以三阶滤波天线为例,验证该方法的有效性。基于TE 101模式,使用两个SIW腔和一个HMSIW腔形成三阶滤波响应,SIW谐振腔用作高Q谐振器,HMSIW谐振腔同时作为辐射腔。实测的中心频率为6.52 GHz,-10 dB带宽为7.4%(6.26 GHz~6.74 GHz)。通带内实测增益基本处于5 dBi,且在下阻带产生了一个传输零点,有效地提高了滤波天线在低频处的频率选择性。实测结果与仿真结果吻合较好,验证了设计方法的有效性。

雷达天线集成避雷针系统的雷电间接效应分析

有源雷达天线集成避雷针系统的雷击瞬态电磁场分布和雷电感应耦合特性是其进行雷击防护的基础。建立集成系统的三维电磁仿真模型,计算分析系统的雷击瞬态电磁场分布特性,发现天线内部雷击瞬态电磁场在靠近内表面部分相对较大,之后向中心部分快速衰减,天线阵面采用网状结构比采用栅格结构的电磁场屏蔽效果约强2个数量级。进一步通过开展实型天线集成避雷针系统模拟雷击试验,获取了天线系统内部不同端口的感应电压,结果显示,在天线上电状态下内部线缆的感应电压较不上电状态时高,当线缆紧贴天线舱内壁时,其感应电压较悬空布线时的感应电压分别降低了48.1%、68.9%和90.7%。本文取得的相关结果可为有源雷达天线集成避雷针系统的雷电电磁防护设计提供参考。

基于时间调制多波束阵列的单通道全向测向方法

基于多波束阵列的测向方法具有测向精度高的优势,但各波束都需要独立的射频通道,导致其测向系统复杂且成本高,通道之间的幅相不一致也会增大测向误差。本文提出了一种基于时间调制多波束阵列的单通道全向测向方法,通过时间调制技术将多波束阵列测向系统简化为单通道系统,利用接收信号的谐波特征获得不同波束的接收信号强度实现高精度测向,同时降低了系统的复杂度及成本。仿真结果表明在相同条件下,本文提出的方法比基于多波束阵列的多通道测向方法具有更小的测向误差。经实测验证,本文的方法在4~5 GHz频带内的测向误差小于1.3°,低于现有的多波束阵列测向误差。

面向环境变化监测的天线传感器仿真分析

【目的】为了精确检测出固体材料内的环境变化,设计出一种完全开放的、埋于被测材料中的天线传感器,并在此基础上设计出一个可监测环境内各种元素变化的传感器。【方法】利用有限元法来计算天线的输入阻抗,通过建模推导出传感器的灵敏度方程,并进行仿真分析。通过调整天线旁圆柱体的距离和高度来模拟真实环境变化,验证天线传感器对周围环境进行监测的灵敏性。【结果】当圆柱体距离天线传感器在0~50 mm范围内不断移动,且改变圆柱体高度时,圆柱体高度越高,共振就越小,此时的磁场E越大,频率区间的反射系数越大。【结论】由仿真结果可知,天线传感器可测量较近环境(0~50 mm)的变化情况。当圆柱体距离天线传感器位置越近,且高度越高时,灵敏度值就越大,此时监测环境变化的情况就越精确。

3D打印技术在机载超宽带共形天线中的应用研究

为提高共形相控阵天线的设计制造效率,在平面紧耦合天线的基础上,设计了与飞机襟翼曲面共形的紧耦合超宽带相控阵天线。按照共形天线的安装要求,提出了混合3D打印技术,即采用熔融堆积成型技术及微滴喷射成型技术实现襟翼流线型曲面模型的打印,并完成了紧耦合天线辐射层的打印,验证了3D打印技术在共形天线上的应用。加上馈电结构后对单元电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)和方向图进行了测试,结果表明所设计的天线在0.4~2.0 GHz范围内,VSWR、单元方向图和阵列方向图符合设计技术指标,为后续共形天线设计和加工提供了技术基础。

星载双臂螺旋天线结构设计与振动仿真测试

本文根据某型航天器的任务需求,设计了一种星载双臂螺旋天线。设计过程中基于火箭发射过程中严苛复杂的力学环境,针对天线可能承受的高强度振动,充分考虑天线的材料、安装、结构强度等因素,对天线进行了多项力学仿真。仿真结果符合设计要求,并且与力学环境试验结果相符。天线电气性能测试结果在力学环境试验前后无明显变化。该天线结构简单,安装便捷,性能可靠,具有良好的空间适应性,对具有类似结构的星载天线有着指导意义。