多波束透鏡天線理論與應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、高數(shù)據(jù)率衛(wèi)星通信技術(shù)、局部點對多點通信以及毫米波成像等技術(shù)的發(fā)展，對多波束天線提出了極為苛刻的要求。傳統(tǒng)的多波束天線如拋物面反射器、相控陣天線等具有波束覆蓋范圍有限、波束差異性較大、工作頻帶窄、損耗大、且相移網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、昂貴等固有缺點，都不能滿足低成本高效毫米波通信系統(tǒng)的要求。而利用光學(xué)成像和聚焦領(lǐng)域的透鏡將不同形式發(fā)散的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娌ㄟ@一特性則可以極大地豐富多波束天線的設(shè)計。透鏡天線的低成本、寬頻帶、寬角范圍內(nèi)多波束掃描且饋電網(wǎng)絡(luò)簡單

2、等特性，倍受天線設(shè)計人員的青睞。但是透鏡天線也具有一些傳統(tǒng)性的缺點，如在較低頻段，透鏡天線的尺寸和重量都相對龐大；長期以來因復(fù)合材料工藝不成熟在很大程度上限制了透鏡天線技術(shù)的發(fā)展。因此，對多波束透鏡天線技術(shù)開展系統(tǒng)的理論研究、分析方法研究、設(shè)計與實驗研究以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究等，并充分發(fā)掘其潛在的技術(shù)優(yōu)勢顯得尤為必要。
　　正是基于此目的，本文從透鏡天線的基本原理和分析方法著手，開展電大尺寸多波束透鏡天線的快速計算與高效優(yōu)化設(shè)計、多目標(biāo)

3、、多尺度方法優(yōu)化設(shè)計透鏡天線、透鏡天線的新型饋源陣列及多波束掃描特性、基于新型高阻抗電磁表面的多波束透鏡天線技術(shù)以及透鏡天線在船載多波束衛(wèi)星通信及跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用等多方面、較為深入的研究工作。本文的主要內(nèi)容可概述如下：
　　1.簡述了多波束透鏡天線的研究背景以及國內(nèi)外研究動態(tài)和進展。其次，介紹了透鏡天線的主要分類及基本原理，并回顧了具有代表性分析設(shè)計方法，如幾何光學(xué)/物理光學(xué)法(GO/PO)、具有特殊形狀透鏡天線的嚴格解析方法以及電

4、磁全波數(shù)值分析方法等。最后，以龍伯透鏡天線為例介紹其輻射機理，并對比分析了現(xiàn)有龍伯透鏡天線的實現(xiàn)方法。
　　2.首次將實際饋源模型的口徑面近場分布結(jié)合透鏡天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量進行一體化優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了實際饋源—透鏡天線系統(tǒng)輻射特性的快速計算和高效設(shè)計，該方法特別適用于電大尺寸透鏡天線的優(yōu)化設(shè)計。同時，研究了透鏡天線優(yōu)化設(shè)計的收斂速度和全局最優(yōu)解，以及饋源焦距和透鏡口徑尺寸對較少分層數(shù)目的透鏡天線增益（效率）的影響。其次，研究

5、了任意饋源口徑近場分布照射下透鏡天線的輻射特性。最后，設(shè)計并實驗實現(xiàn)了最少分層數(shù)目的電大尺寸高效龍伯透鏡天線，大大降低了電大尺寸透鏡天線加工工藝的復(fù)雜度。
　　3.針對多頻段透鏡天線設(shè)計中，各頻段達到最佳增益/口徑效率且具有較低的方向圖旁瓣包絡(luò)等相互矛盾的設(shè)計目標(biāo)，首次采用多目標(biāo)、多尺度優(yōu)化算法(MOEA/D)設(shè)計龍伯透鏡天線,實現(xiàn)透鏡天線的多頻段高增益最優(yōu)設(shè)計以及某一頻段內(nèi)增益和方向圖旁瓣包絡(luò)特性的最優(yōu)設(shè)計。所設(shè)計的透鏡天線性能

6、明顯優(yōu)于目前國內(nèi)外報道中大多采用的單目標(biāo)優(yōu)化方法，且優(yōu)化設(shè)計過程無需多次選取權(quán)值系數(shù)，一次運行即可得到Pareto最優(yōu)解集，為設(shè)計者根據(jù)具體應(yīng)用需求選取最優(yōu)解提供了更多的自由度。
　　4.在透鏡天線的饋源陣列設(shè)計中，提出將四維天線陣這一陣列設(shè)計思想引入圓環(huán)陣列天線，構(gòu)成四維天線圓環(huán)陣，在均勻/較低動態(tài)范圍比的幅度激勵下實現(xiàn)超低且均勻副瓣(-45 dB)方向圖綜合、波束賦形以及波束電掃描（控制），有效地抑制了諧波頻率的輻射，極大地簡

7、化了陣列饋電網(wǎng)絡(luò)。此外，采用Vivaldi天線作為饋源，組成水平面半圓環(huán)陣照射龍伯透鏡天線，在透鏡天線赤道面較寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)178o(-3dB波束交疊)寬角范圍的多波束覆蓋。
　　5.首先簡要介紹了高阻抗電磁表面的研究背景，并對其傳輸特性、輻射機理以及應(yīng)用優(yōu)勢和前景進行了闡述。其次，提出了一系列新型的高阻抗電磁表面單元結(jié)構(gòu)（如開槽蘑菇型高阻表面單元、電容加載式帶狀高阻表面單元以及彎折臂式高阻表面單元），并分析其表面阻抗和局部色散特性

8、。采用漸變表面阻抗技術(shù)，通過逐漸改變單元尺寸來控制電磁表面波的局部色散特性和相速度，改變表面波的傳播路徑，實現(xiàn)透鏡天線所需的漸變折射率分布特性。最后，優(yōu)化設(shè)計出低剖面、輕質(zhì)、高效平板多波束半Maxwell Fish-Eye透鏡天線，并對其單波束輻射特性和寬角范圍多波束掃描特性進行了實驗驗證。該設(shè)計方法及高阻表面單元模型特別適用于較大折射率變化范圍的透鏡天線設(shè)計，具有較好的普適性。
　　6.設(shè)計了一種基于龍伯透鏡天線的船載多波束衛(wèi)星