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。

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。

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。

一种基于去斜技术的低成本宽带数字阵列天线设计与实现

宽带相控阵雷达具有高距离分辨率和多目标、群目标、高速目标的探测能力。传统宽带相控阵采用了基于真延时的方法来补偿孔径渡越效应,往往带来成本的大幅增加。本文提出了一种基于去斜处理的宽带单元级数字阵列天线系统设计方案,利用线性调频信号波形时域与频域平移等效性,在去斜后采用移频移相的方式进行了等效孔径渡越补偿。相比传统宽带数字阵列设计,该方法可降低对天线硬件的性能要求,从而大幅压缩了天线系统制造的成本。本文详细分析了去斜体制的信号处理过程和方法,研制了天线阵列原型样机,验证了收发通道补偿及宽带波束。实测结果显示,该天线样机实现了500 MHz带宽下的方位±60°、俯仰±40°电扫。实测结果表明了宽带波束性能的良好性,宽带波束指向准确,验证了本文提出的基于去斜技术的宽带数字阵列设计方案的正确性。该方法可广泛用于宽带数字阵列天线的低成本设计与宽带性能提升。

毫米波高增益折叠透射阵列天线设计

文中设计了一款低剖面的毫米波高增益折叠透射阵列天线。该天线将兼具极化选择和相位全覆盖调控性能的超薄透射型超表面,与具有极化扭转特性的反射型超表面结合,采用π/4相位补偿步长,在实现低剖面的同时提高了天线增益。实验表明:所设计天线在94 GHz增益为35.7 dBi,口径效率为47.4%,3 dB增益带宽为22%。该设计克服了毫米波天线难以兼顾低剖面和高效率的限制。

一种双极化L型探针馈电宽带相控天线阵列

本文提出了一种可实现双极化的宽频带低剖面的相控微带天线阵列,为实现宽频带特性,该阵列天线采用了L型探针馈电结构以及贴片开槽结构的设计。在天线单元的设计过程中,结合仿真验证,分析了关键参数对于天线单元驻波曲线变化的影响。该天线的剖面高度为3.56 mm,约为高频波长的0.15倍,可满足低剖面高度相控阵天线的应用需求。仿真结果表明,该天线阵列在±45°的扫描角域内可实现64.9%(有源驻波比≤2.5)的相对带宽,在±60°的扫描角域内可实现57.9%(有源驻波比≤3)的相对带宽,且具有良好的极化纯度。

一种新型的低剖面定向宽带圆极化天线设计

针对低剖面定向圆极化天线结构复杂、带宽较窄等问题,设计了一款基于类同轴波导的紧凑型宽带定向圆极化天线。该天线于波导上表面印制螺旋缝隙,波导内端口处使用同轴接口馈电。天线端口反射系数性能可通过合理地调节波导内外导体尺寸进行优化,避免了馈电网络的使用,天线结构得到简化。另外,天线无需借助反射地板可直接实现定向辐射性能,使剖面尺寸降低至0.1λ(λ为自由空间中最低频点波长),并由于同轴波导的宽带通性实现57%(2.7~4.85 GHz)的有效带宽。运用介质集成波导技术制作该结构天线,并进行仿真和测试,两者结果吻合良好,证明此种设计方法的有效性。与其他定向圆极化天线相比,该天线整体结构紧凑、设计简单、避免了复杂的馈电网络,且具有较宽的有效带宽。

基于SCNs的大口径陆基有源相控阵天线变形重构方法

复杂的服役环境会导致相控阵雷达阵面产生变形,降低雷达的探测威力。随着有源相控阵天线向着大口径、高频段、高增益方向不断发展,结构变形对雷达性能的影响更为严重。因此要保障雷达天线“看”得更清、“看”得更准,需要实时感知阵面状态以弥补天线电性能的损失。本文针对高频段大口径陆基有源相控阵天线,提出了基于随机配置网络(Stochastic Configuration Networks,SCNs)的阵面变形重构算法。首先,对大口径陆基有源相控阵天线的结构进行了分析,指出导致天线结构变形的主要因素以及结构变形对电性能的影响机理;然后,基于SCNs建立有源相控阵天线阵面变形重构模型;最后,通过大量实验数据揭示结构应变与位移的隐性关系,验证所提出的方法满足高频段天线阵面高精度重构要求。

基于近场测量的阵列天线校准

阵列天线校准是精确控制阵列波束方向和辐射方向图的前提。本文依据测量距离将阵列天线校准方法分为远场校准法和近场校准法两类。随着阵列天线大型化的发展趋势,微波暗室的尺寸越来越难达到阵列天线远场的要求,远场校准法的适用性逐渐减弱,对近场校准法的需求逐渐增加。本文梳理了过往的经典近场校准方法,并对近场校准方法的最新进展进行论述,对不同校准方法的原理做了详细分析和对比,最后给出未来校准研究的发展方向。

基于多功能结构的相控阵天线一体化设计

为了满足星载有源相控阵天线对轻量化以及承载、热控等多功能一体化的迫切需求,文中开展了轻质多功能结构相控阵天线的设计理论、制备工艺、控温特性和力学性能等研究,提出了一种基于多功能结构的星载有源相控阵天线一体化设计技术,利用轻质多功能复合安装板结构,合并平面正交一体桁架热管,在内部空间嵌埋有源功能模块,融合低剖面辐射阵面形成天线功能,制备了集控温、承载、电磁辐射于一体的多功能结构的轻质相控阵天线,并对多功能结构天线子阵进行了一体化设计和验证。结果表明,多功能结构天线系统布局改善了微波部件互联的性能,提高了有源阵列的散热和辐射效率以及系统性能,显著减小了天线阵列的剖面,大幅降低了有源阵列天线的重量。

平面相控阵的色散误差非延时补偿

本文基于波束指向精度是相控阵天线重要的性能指标,频率色散误差是一种主要的天线指向误差,提出了一种非延时的色散误差补偿方法,给出了非均匀平面阵的色散误差机理和全空域的色散误差仿真结果。同时,通过将其对应的最大瞬时带宽进行理论推导,给出了基于指挥控制系统的补偿办法。结果表明:理论计算结果和仿真结果一致。

一种星载毫米波平板发射阵列天线

针对星载毫米波阵列天线重量大、成本高的问题,设计了一种平板发射阵列天线。单机采用板上天线架构和集成实现技术,与传统砖式阵列相比,重量减小约50%,成本降低70%。阵列天线具备良好的宇航适应性,扩展性强,可在卫星载荷中推广应用。

一种宽带双极化磁电偶极子相控阵设计

采用磁电偶极子天线作为阵列单元,设计了一种兼具双极化、高增益、大功率和宽带特性的相控扫描阵列。磁电偶极子天线为全金属结构,可以承受大功率;两对菱形电偶极子和弯折磁偶极子呈十字交叉排列,实现正交双线极化;电偶极子末端与金属腔壁上倒L形弯折片之间由于容性耦合形成等效LC电路,能够改善天线低频的阻抗匹配。加工制作了一只8×8相控阵天线样品,仿真和测试表明,阵列有源驻波小于2的阻抗带宽达到44.4%(2.1~3.3 GHz);在整个工作频段内阵列有良好的高增益定向辐射性能,以及大角度波束扫描性能,在重点工作频点2.3 GHz的法向增益最大值为23.4 dBi,45°扫描角下的阵列增益仅下降了1.9 dBi。

Kinematic-mapping-model-guided analysis and optimization of 2-PSS&1-RR circular-rail parallel mechanism for fully steerable phased array antennas

This paper presents a systematic methodology for analyzing and optimizing an innovative antenna mount designed for phased array antennas, implemented through a novel 2-PSS&1-RR circular-rail parallel mechanism. Initially, a comparative motion analysis between the 3D model of the mount and its full-scale prototype is conducted to validate effectiveness. Given the inherent complexity, a kinematic mapping model is established between the mount and the crank-slider linkage, providing a guiding framework for subsequent analysis and optimization. Guided by this model, feasible inverse and forward solutions are derived, enabling precise identification of stiffness singularities. The concept of singularity distance is thus introduced to reflect the structural stiffness of the mount. Subsequently, also guided by the mapping model, a heuristic algorithm incorporating two backtracking procedures is developed to reduce the mount's mass. Additionally, a parametric finite-element model is employed to explore the relation between singularity distance and structural stiffness. The results indicate a significant reduction(about 16%) in the antenna mount's mass through the developed algorithm, while highlighting the singularity distance as an effective stiffness indicator for this type of antenna mount.

一种宽带大孔径相控阵波控优化设计

针对用于电子对抗系统的大孔径相控阵列天线在瞬时带宽和实施成本间的矛盾,提出了一种波束控制网络优化设计。该设计在现有子阵级模拟延迟波控网络的基础上,采用剩余法和虚位技术,通过末端的小步进移相器波束控制器件,补偿前一级时延器件步进量引入的相位跳变,同时将时延网络分级处理,采用前级小步进时延器件补偿后级大步进时延器件的相位跳变,拟合形成与理论移相需求高吻合度的相位分布。在波束大角度扫描时兼有高指向精度、大瞬时带宽、低损耗、低成本等优点。

中远程一体化车载雷达线阵天线的设计

该文提出了一种新型的宽带近接耦合毫米波微带阵列天线,并将其作为77~81 GHz中远程汽车雷达的专用天线。该天线阵列由微带线及一系列矩形和多边形辐射单元组成。辐射单元在微带线两侧呈周期性分布,间隔约为引导波长的1/2。为增强激励耦合引入了矩形和多边形辐射单元,在拓宽阻抗带宽的同时,抑制了带外频率。不同辐射单元和矩形反射槽相匹配,达到波束赋形的效果,实现了平肩膀辐射方向图。通过调整辐射单元与微带线的间隔,控制辐射单元的归一化电阻。在工作频率为77~81 GHz时,阵列天线的增益超过14 dBi,阻抗带宽达到7.47%(76.5~82.4 GHz)。对实物样本进行加工及性能检测,测试表明,仿真与实测数据基本一致。

一种低剖面超宽带强耦合相控阵天线

为适应多功能、一体化、集成化的应用需求,相控阵天线正朝着超宽带、小型化、轻量化方向发展。本文基于强耦合技术,设计了一种低剖面超宽带强耦合相控阵天线。天线单元由超表面宽角匹配层、辐射振子、Marchand馈电巴伦以及反射地板组成。通过偶极子双臂的上下层交叠实现强耦合效应。通过仿真设计,该强耦合天线在1.4 GHz~6 GHz频带内0°~50°扫描角度下天线的有源驻波均小于3.2,具有良好的阻抗匹配带宽。最后,对18×36规模的阵列天线进行测试,验证了实测与仿真结果一致。

晶圆级树脂基低成本W波段封装天线微系统

面向W波段探测与通信系统的小型化、低成本应用需求,本文采用晶圆级树脂基扇出型封装工艺,通过对有源封装天线集成架构、互连传输结构和天线阵列进行设计与仿真,设计了一款工作频率为94 GHz的封装天线微系统。该封装天线微系统集成了4×4磁电偶极子阵列天线和16通道幅相多功能射频芯片。通过Ansys HFSS全波仿真,系统波束扫描范围在E面≥±30°,H面≥±40°,在7.1 mm×8.3 mm×1.2 mm封装尺寸内实现了封装天线等效全向辐射功率≥39.1 dBm。该封装天线微系统具备规模扩展能力,可广泛应用于探测、通信以及安检等领域。

面向阵列互耦扰动DOA估计的原子范数方法

互耦效应是天线阵列工作时阵元相互之间产生的一种干扰影响,会导致理想导向矢量与真实导向矢量之间存在偏差,严重影响参数的估计性能。本文针对阵列互耦扰动下的波达方向(Di-rection of Arrival,DOA)估计问题,提出了一种新的原子范数最小化方法MC-ANM,以提高参数估计精度。由于阵列互耦扰动下的原子结构不满足范德蒙德特性,原问题无法直接转化为半定规划程序。因此,文中基于对偶范数理论,推导了一个新的半定规划优化模型,作为原问题对应的对偶问题的充分近似,并构建了对偶多项式,以求解该半定规划优化中的DOA参数。仿真实验结果显示所提出的MC-ANM方法相较于传统原子范数最小化方法的估计性能有了明显的提升,同时估计精度要好于其他互耦扰动下的DOA估计算法。

短波发射系统天线设施的分析与维护措施

在短波发射系统中,天线设施起到至关重要的作用,这一系统可以有效保证发射设施的稳定运行。为了进一步提高短波发射设施的运行质量和运行效率,要加强对天线设施的有效维护,构建健全的安全维护体系。基于此,文章以短波发射设施天线系统维护工作为研究对象,提出该项工作的具体实施路径和改进对策。