時間調(diào)制陣列天線的研究.pdf

1、時間調(diào)制陣列(Time-Modulated Array,TMA)天線是一種基于時間調(diào)制技術(shù)的新型陣列天線，通過將“時間”作為第四維設(shè)計自由度引入到三維空間常規(guī)陣列天線設(shè)計中，使陣列天線具有時間調(diào)制特性，從而控制陣列天線的輻射特性。本文首先對時間調(diào)制陣列天線理論和分析方法開展了研究，然后從簡化陣列結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本和先進性能角度出發(fā)，解決了時間調(diào)制陣列天線在單波束掃描應(yīng)用中尚存的性能缺陷、發(fā)掘了時間調(diào)制天線技術(shù)在方向回溯陣列天線中的應(yīng)用及

2、其優(yōu)勢、并探索了廣義時間調(diào)制陣列天線—時間調(diào)制頻率分集陣列天線的相關(guān)理論和潛在應(yīng)用。本論文的主要創(chuàng)新性工作可以概括如下:
　　1.時間調(diào)制陣列天線的時頻域全波特性:為了在互耦效應(yīng)下對時間調(diào)制陣列天線進行精確的分析與模擬以及對其性能有全方面的把握，提出了基于陣中互阻抗公式的TMA解析求解方法，大大提高了TMA優(yōu)化設(shè)計的全波分析效率。利用該解析方法，在時域和頻域?qū)MA的輻射特性展開了全面的分析，給出了方向圖和方向性系數(shù)計算的時頻域全

3、波表達式。為驗證其準確性和高效性，在天線單元等幅同相激勵條件下，給出了均勻間距TMA和不均勻間距TMA低副瓣方向圖綜合和恒定瞬時方向性系數(shù)綜合的數(shù)值計算結(jié)果以及對應(yīng)的仿真結(jié)果。
　　2.單邊帶時間調(diào)制相控陣(Time-Modulated Phased Array,TMPA)天線:在單波束掃描時，針對傳統(tǒng)相控陣中移相器的量化誤差、控制電路復雜及成本昂貴和TMA的無用基頻輻射及其它邊帶輻射導致的天線效率低下等缺陷，提出了單邊帶時間調(diào)制

4、相位加權(quán)技術(shù)，通過設(shè)計相應(yīng)的脈沖時序，實現(xiàn)了無移相器的相控陣功能。在兩種不同脈沖時序—矩形脈沖時序（即采用理想開關(guān)）和梯形脈沖時序（即考慮開關(guān)上升沿和下降沿過渡效應(yīng)）體制下，研究并證明了單邊帶TMPA的波束掃描特性且對比分析了陣列輻射性能（邊帶電平和有效功率效率）。
　　3.可重構(gòu)時間調(diào)制共孔徑陣列天線:基于時間調(diào)制技術(shù)和方向回溯技術(shù)，提出了兩種可重構(gòu)時間調(diào)制共孔徑陣列天線，即時間調(diào)制的方向回溯和自調(diào)零共孔徑陣列(Time-Mod

5、ulated Retrodirective and Self-Null-Steering Array,TM-RDNA)天線和時間調(diào)制方向回溯三功能可重構(gòu)共孔徑陣列(Time-Modulated/Retrodirective/Time-Modulated Retrodirective Array,TM-RDA)天線，并給出了各自的工作原理。與傳統(tǒng)RDNA天線系統(tǒng)相比，TM-RDNA簡化了天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低了天線系統(tǒng)的成本及復雜度且節(jié)約了

6、空間資源。TM-RDA實現(xiàn)了天線系統(tǒng)的多功能化且功能之間的可重構(gòu)是通過控制單刀三擲開關(guān)的工作時序?qū)崿F(xiàn)的，具有重構(gòu)簡單、精度高和成本低等優(yōu)點。為驗證所提方案的可行性和合理性，采用印刷偶極子單元，分別設(shè)計和加工了一個四單元TM-RDNA和一個四單元TM-RDA，對其進行了實測，并給出了各自的測試結(jié)果以及用于對比的仿真結(jié)果。
　　4.遠程聚焦時間調(diào)制頻率分集陣列天線:為實現(xiàn)遠程單目標空時四維（方位角θ、俯仰角φ、距離r和時間t）聚焦，提

7、出了基于時間調(diào)制頻偏的頻率分集陣列天線，并給出了兩種時間調(diào)制非線性頻偏方案—時間調(diào)制對數(shù)頻偏(Time-Modulated Logarithmic Frequency Offset，TMLFO)和時間調(diào)制優(yōu)化頻偏(Time-Modulated Optimized Frequency Offset，TMOFO)，前者是解析求解，后者是基于方向圖優(yōu)化綜合求解。通過對比和分析這兩種方案在理想頻偏和非理想頻偏下空時四維聚焦的性能，證明了基于TM

8、OFO的頻率分集陣列天線具有更好和更加穩(wěn)健的空時四維聚焦性能。此外，鑒于TMOFO的頻率分集陣列天線在遠程單目標聚焦中的應(yīng)用，提出了基于角無關(guān)TMOFO的時間調(diào)制頻率分集陣列天線，并應(yīng)用于遠程多目標聚焦。該陣列天線通過采用角無關(guān)TMOFO（即僅與目標距離相關(guān)而與目標角度不相關(guān)）與TMA多邊帶輻射相結(jié)合的技術(shù)，實現(xiàn)了遠程多目標在距離相同情況下的空時四維聚焦。
　　5.近程聚焦時間調(diào)制頻率分集陣列天線:針對TMOFO方案應(yīng)用于近程單目

9、標聚焦時由于大頻偏引起的時變相位誤差而無法實現(xiàn)精確空時四維聚焦的缺陷，提出了補償式TMOFO方案，即基于補償式TMOFO的頻率分集陣列天線。補償式TMOFO通過修正陣元的頻偏補償了時變二次相位因子的作用，從而實現(xiàn)了近程單目標的空時四維聚焦。為驗證所提方案的有效性和合理性，分別給出了采用補償式TMOFO和TMOFO實現(xiàn)近程單目標聚焦的結(jié)果，并對比分析了這兩種方案下的空時四維聚焦性能。此外，為實現(xiàn)近程多目標聚焦，提出了基于時間窗補償式TMO