復(fù)雜載體共形天線陣的分析與綜合.pdf

1、作為現(xiàn)代天線技術(shù)的一個研究熱點(diǎn),共形天線在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。對于各種先進(jìn)的飛行器如飛機(jī)、導(dǎo)彈等,為了和載體兼容且不影響其空氣動力學(xué)性能,同時又具有良好的電性能如寬角覆蓋、低的雷達(dá)散射截面(RCS)等,需要天線與載體共形;而在日常生活中,為了保持建筑物的美觀,也提出了美化天線的概念,即要求天線與建筑物共形。通常載體性能各異,載體對于天線性能的影響也是不盡相同的,因此開展基于復(fù)雜載體的共形天線性能分析及設(shè)計(jì)是很有必要的。<

2、br>　　本文通過理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三位一體的方法對復(fù)雜載體上的共形天線開展了研究。圍繞新型天線單元設(shè)計(jì)、共形天線的分析方法和綜合方法,系統(tǒng)而深入地研究了以下幾方面的內(nèi)容:
　　1.基于電磁流混合場積分方程方法的電磁輻射問題分析
　　針對復(fù)雜載體(特別是具有介質(zhì)特性或金屬-介質(zhì)復(fù)合特性的載體)上的共形天線,采用了電磁流混合場積分方程(JMCFIE)方法對其進(jìn)行分析。由于JMCFIE方法是基于等效原理的表面積分方程,

3、因此減少了剖分的未知量,降低了計(jì)算的復(fù)雜度,可以用來進(jìn)行電大問題地分析。首先基于JMCFIE方法分別分析了平面天線單元和共形天線單元的輻射特性;然后將JMCFIE方法和多層快速多極子(MLFMA)結(jié)合分析了金屬-介質(zhì)復(fù)合載體上共形天線的輻射特性。JMCFIE方法計(jì)算所得的結(jié)果和商業(yè)仿真軟件CST計(jì)算的結(jié)果吻合良好,說明了JMCFIE方法可以很好地應(yīng)用于復(fù)雜載體上共形天線的分析。
　　2.天線單元小型化設(shè)計(jì)
　　針對現(xiàn)代飛行器

4、對于天線小型化設(shè)計(jì)的要求,通過將小型化的貼片耦合器集成于環(huán)天線內(nèi)部,設(shè)計(jì)了一個小型化、圓極化的環(huán)形天線,整個天線尺寸為λ0/2×λ0/2,但其電性能可以和傳統(tǒng)的微帶天線相比擬,并使用等效電路模型對所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了分析;為了進(jìn)一步減小天線尺寸,使用了環(huán)形反射器和引向器的結(jié)構(gòu),在保證了天線輻射性能的條件下,可以將所設(shè)計(jì)的天線尺寸進(jìn)一步縮減到λ0/4×λ0/4。
　　3.共口徑天線單元設(shè)計(jì)
　　將不同功能和頻段的天線集成在同一個

5、口徑下,意味著將會大大縮減天線所需的口徑個數(shù),從而減少天線所占用的空間,使整個系統(tǒng)更加緊湊。本文根據(jù)不同的頻率比,基于小型化的環(huán)形天線單元結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了兩款雙頻共口徑天線和一款三頻共口徑天線。
　　4.基于雜草入侵優(yōu)化算法的天線優(yōu)化設(shè)計(jì)及陣列綜合
　　將雜草入侵優(yōu)化算法(IWO)和商業(yè)仿真軟件HFSS結(jié)合來進(jìn)行天線的優(yōu)化設(shè)計(jì),全波計(jì)算是在HFSS中完成的,而優(yōu)化過程則通過IWO來實(shí)現(xiàn),使用這樣一個方式優(yōu)化的天線可以直接應(yīng)用于實(shí)

6、際工程中;然后基于有源方向圖疊加原理(AEP)和陣因子理論(AF)相結(jié)合的方法對大型天線陣列的遠(yuǎn)場輻射方向圖進(jìn)行了計(jì)算,在保證了一定的精度的條件下,極大地提高了計(jì)算效率,并降低了對計(jì)算機(jī)內(nèi)存的要求;最后將IWO算法和AEP相結(jié)合,對平面圓環(huán)陣列進(jìn)行了綜合,其結(jié)果和全波仿真軟件HFSS吻合良好。
　　5.復(fù)雜載體上共形天線及陣列的設(shè)計(jì)
　　結(jié)合不同的載體結(jié)構(gòu),開展了共形天線及陣列的設(shè)計(jì)。針對圓錐載體,使用IWO結(jié)合AEP的方法

7、,對所設(shè)計(jì)的共形陣列進(jìn)行了優(yōu)化,驗(yàn)證了IWO結(jié)合AEP的綜合方法在共形陣列綜合應(yīng)用中的適用性;然后利用天線單元小型化的技術(shù),實(shí)現(xiàn)了共形陣列的寬角波束掃描性能,并利用IWO結(jié)合AEP的方法對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),測試結(jié)果表明通過這種方式可以有效地增大陣列的掃描角。針對圓柱載體及天線安裝空間要求,利用天線單元小型化技術(shù)及串并饋結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)了一款便于共形和安裝的水平面全向圓極化波束覆蓋天線。針對無人機(jī)載體,設(shè)計(jì)了低剖面的共形垂直極化天線單元,