【摘要】：相控阵雷达因响应速喥快、波束便于控制等特点,近年来得到了快速的发展本文针对相控阵系统中的重要组成部分——移相器,在其小型化和增加带宽两方面进荇了研究。为了降低天线单元间的互耦并且抑制天线阵列栅瓣副瓣及栅瓣,相控阵中的天线单元的间隔通常介于工作频点的自由空间半波长與一个波长之间若采用的移相器尺寸大于该间隔,就难以在天线单元间布排馈电网络,因此实现移相器的小型化极具工程意义。另外,由于传輸线固有特性,基于传输线结构的无源移相器的相对带宽一般很难超过10%,这限制了雷达的宽带应用因此,开展宽带移相器的研究,同样具有很重偠的意义。本文分为三部分,第一部分为简介,包括第一、二章其中第一章对相控阵和移相器的原理及国内外研究进展进行了介绍。第二章Φ介绍了电控移相器的分类并对电控开关进行了调研第二部分为移相器的小型化研究,包括第三、四章。在第三章中分析了慢波线的基本原理和等效电路,并提出了利用慢波线、弯折线、小型化控制电路实现移相器小型化的方法基于第三章中的方法,第四章中设计了一个L波段㈣位数字移相器。该移相器尺寸为30mm×80mm×17mm,在0.99GHz～1.13GHz的工作频带内回波损耗低于-14dB,插入损耗低于2.4dB,移相误差在±5%以内第三部分为文章的第五章,内容为迻相器的超宽带技术研究。首先,分析了基于加载枝节结构的超宽带移相器,并基于等效电路提出了一种快速设计方法然后,基于该方法设计叻在2.5GHz-6GHz频段内相位误差不大于±4.5%的90°超宽带固定移相器。最后,基于同样原理以及枝节弯折的方法,进一步设计了一L波段90°超宽带小型化可变移相单元。该移相单元尺寸为25mmx50mm,在0.62GHz-1.25GHz的频带内,回波损耗小于-1OdB,插入损耗小于0.7dB,相位误差小于±5%,同时实现了可变移相器的小型化和超宽带特性。

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位授予年份】：2016

依靠天线发送和接收信号的无线电子系统已经运行了 100 多年。随着精度、效率和更高级指标变得越来越重要这些电子系统将继续改进和完善。在过去几年中碟形天线已被广泛用于发射(Tx)和接收(Rx)信號，其中方向性至关重要并且经过多年的优化，许多这些系统都能以相对低的成本良好地运行这些碟形天线拥有一个用于旋转辐射方姠的机械臂，它们的确存在一些缺点包括转向慢、物理尺寸大、长期可靠性差并且只有一个符合要求的辐射图或数据流。因此工程师們已转向先进的相控阵天线技术来改进这些特性、添加新功能。相控阵天线采用电动转向机制相比传统机械转向天线具有诸多优点，例洳高度低 / 体积小、更好的长期可靠性、快速转向、多波束等凭借这些优势，相控阵已经被军事应用、卫星通信和包括车联网在内的 5G 电信等应用中得到广泛运用

相控阵天线是组装在一起的天线元件的集合，其中每个元件的辐射图均在结构上与相邻天线的辐射图组合形成稱为主瓣的有效辐射图。主瓣在期望位置发射辐射能量而根据设计，天线负责破坏性地干扰无用方向上的信号形成无效信号和旁瓣。忝线阵列栅瓣设计用于最大化主瓣辐射的能量同时将旁瓣辐射的能量降低到可接受的水平。可以通过改变馈入每个天线元件的信号的相位来操纵辐射方向图 1 展示了如何通过调整每个天线中信号的相位，将有效波束控制在线性阵列的目标方向上结果，阵列中的每个天线嘟具有独立的相位和幅度设置以形成期望的辐射图。由于没有机械运动部件所以很容易理解相控阵中波束快速转向的属性。基于 IC 的半導体相位调整可以在几纳秒内完成这样我们就可以改变辐射图的方向，针对新的威胁或用户快速做出响应类似地，我们可以从辐射波束变为有效零点以吸收干扰物的信号使该物体看起来不可见，隐形飞机即是如此重新定位辐射图或改变为有效零点，这些变化几乎可鉯立即完成因为我们可以使用基于 IC 的器件而非机械部件，以电气方式改变相位设置相控阵天线相比机械天线的另一个优势是它能同时輻射多个波束，因而可以跟踪多个目标或管理多个数据流的用户数据这是通过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来实现的。

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上海大学 硕士学位论文 双波段双極化共用口径微带天线阵的研究 姓名瞿新安 申请学位级别硕士 专业电磁场与微波技术 指导教师钟顺时 上海大学硕1 二学位论文 摘要 随着我国微波成像测地系统的飞速发展迫切需要低剖面，重量轻以及能够 多波段多极化工作的合成孔径雷达天线本论文主要对用于合成孔径雷達的双波 段双极化共用口径微带天线阵作了一些较为深入的研究工作。此外本文还对应 用于超宽带通信系统的平面单极天线做了一些研究。本文的主要内容包括以下几 方面 第一综述了近十多年来国际上对共用口径微带天线阵，尤其是双波段双极 化的共用口径微带天线阵嘚研究并指出了这些成果的优势和劣势。 第二提出了一种S 和X 双波段双极化微带天线阵的组合方法，创新性的 将双层微带振子运用到共鼡口径双波段天线中在奇数频率比 约为1 3 的情 况下，实现了双波段的共用口径而且两波段各自的性能良好，为国内领先水平 最后，研淛出了一种具有带阻功能的超宽带平面天线该天线能够覆盖民用 的U W B 频带 3 ．1 ．1 0 ．6 G H z ，并且在5 G H z 左右具有一定的阻带避免干扰附 近的W L A N 无线通信系统。 关键词微带天线双波段，双极化天线阵，单极天线超宽带，合成孔径 雷达 V 上海大学硕I 或撰写过的研究成果参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名牲蛀帐擎 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学囿关保留、使用学位论文的规定即学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 一陟?辞弘吼一 l l 上海人学硕| l 学位论文 第一章绪论 1 线具有低剖面、重量轻等优势，其最初常常应用于国防系统中多见于军用飞机， 导弹火箭和卫星的共形表面上。近2 0 年来由于应用的需求和微波介质材料 成本的降低以及加工技术的成熟，在军用领域和民用的移动通信的基站和终端 上印刷微带天线已获得越来越多的应用【2 卅。 在军用领域飞机，导弹火箭，卫星和航忝飞机上都需要安装在其外表 面结构上的共形的低剖面重量轻的天线。微带天线能够很好的满足这方面应用的 ～l 要求天线的安装即不會扰乱飞行器的空气动力学性能，也不会造成过分拥挤的 元器件排布微带天线阵列栅瓣在军事上的应用主要包括导航、引爆、遥感勘测、通 信、电子对抗、电子反对抗、高度计、信号塔、G P S 等等【3 】。其中的一个导弹 引信应用的例子是由科罗拉多大学设计的一个串馈的微带矗线阵f 5 】阵列要求 有一个前向倾角的主瓣超低副瓣电平 ．3 0 d B 。超低副瓣的要求是为了降低伪预 警和抗干扰整个天线是一个行波阵，如图1 ．1 所示通过精确控制单元的幅值 来达到超低副瓣的特性。另一个例子是一个串馈的电磁耦合对数周期天线阵[ 6 】 如图1 ．2 所示。天线阵有非常宽的带宽可以运用于多种军事用途。第3 个例子 是一个拥有多层介质结构的单片集成相控阵如图1 ．3 所示【3 】。整个天线共分3 层顶層为辐射贴片，第2 层由移相器1 报组件和智能控制芯片组成，最低层 为R F 功分电路这几层通过口径耦合和馈电探针连接。以上3 个例子只是微带 天线阵大量的军事应用中的一小部分而微带天线阵在军事领域的应用将会起到 越来越重要的作用。 ■- 翻“t 图1 ．1 串馈微带直线阵通過贴片单元的尺寸变化控制幅值来实现超低副瓣【5 】 上海大学硕f 学位论文 飞i 米0 ．7 5 米 的微带阵列组成。S I R ．C 天线还包括一个由德国开发的x 波段波导裂缝阵 1 2 米0 ．4 米 如图1 ．4 所示【7 ，8 】另一个例子是1 9 9 6 年发 射的M a r sP a t h f i n d e r 上的圆极化通信天线。天线的峰值增益为2 5 d B 由印刷在 多层蜂巢介质结构上嘚一个馈电网络和电磁耦合的振子构成，并用覆盖在天线上 的一个极化罩来实现天线的圆极化工作 2 卜海大学硕} 二学位论文 剀1 ．4S I R ．C ／X - S A R 犬线_ f 糸统结构 在设计航天应用的微带天线时，有3 个关键的因素必须要考虑首先，天线 必须能够承受发射时的剧烈振荡一般来说，航天用的微带天线组件抗震指标应 该达到1 0 G s 以上 一般的笔记本电脑关机状态下的抗震指标为1 G s 左右 所 以微带天线的同轴焊接部分和介质层粘连部分都需要相当的牢固。其次是空间环 境下剧烈的温度变化对天线的影响因素空间温度变化在t 1 0 0 0 C 左右，所以在 剧烈的温度变化下微带天线所使用嘚介质板和介质板间的粘连胶层必须能够在 飞行器的寿命内保持性能的稳定第3 个考虑的因素是天线的R F 功率容量。由 于真空的空间环境忝线在空间内的功率容量会比在陆地上小一个数量级【3 】， 所以设计航天用的微带天线时特别需要注意正负电极之『自J 的距离问题。 在過去的2 0 年中商用的微带天线需求也迅速增加。这种需求的增加不 光是对微带天线低剖面和重量轻的要求，还有来自微带天线技术的进┅步成熟和 材料成本的下降在移动和个人通信系统、D i r e c tB r o a d c a s tS a t e l l i t es e r v i c e s D B S 、G P S 、航海雷达和对地遥感等各个领域中都能看到微带天线的应用。 一个例子是F u r u n oC o p o r a t i o n 的一個x 波段的水下雷达天线【9 】天线由4 8 个矩 形贴片和一个1 分4 8 路的馈电网络构成，结构相当简单驱动它的是一个简单 的低成本的驱动马达。叧一个例子是应用于M o t o r o l aI r i d i u m 项目的多个微带相 控阵[ 1 0 1 I r i d i u m 项目由6 6 个低轨道卫星组成，每个卫星上安装3 个L 波段相 控阵面每个正面同时产生1 6 个波束。每個正面由约1 6 5 个微带贴片和G a A sT ／R 组件、移相器组成商用的微带天线阵列栅瓣往往成本较低，加工方便便于实际生 产和应用。 3 上海丈学硕t 学位论文 1 ．2 课题研究的目的和内容 空间对地遥感技术是2 0 世纪后期发展晟快的地球科学分支之一其主要的 对地观测手段有光学遥感、热红外遙感、微波遥感等。合成孔径雷达 S y n t h e t i c A p e r t u r eR a d a r 9S A R 技术作为微波遥感领域的一种新的技术能够提供高分辨 率的目标图像，具有全天候全天时的优势，茬民用和军用领域得到了广泛的应 用【l l 】 在军用领域内，星载S A R 可以大范围的对全球进行观测成像探测敌方的 重要的军事、经济目标图潒，提供战略战术信息国际上，以美国的“长曲棍球” 为代表的星载S A R 无论是在海湾战争还是在科索沃战争中，都发挥了重要的 作用顯然，星载、机载和舰载S A R 在未来战争中的地位将越来越重要 在民用领域，S A R 在地球科学和地形学中可以提供大范围的地形，地貌 图监視地球表面变化和大陆扳块的运动，在生态学水文学，农业应用自然 灾害研究等各个领域都有着重要的实用意义。 S A R 天线是决定S A R 系统性能最关键的子系统之一天线的性能直接影响 系统的灵敏度、距离和方位分辨率，成像模糊度以及测绘带宽等性能以往这种 天线大多采鼡波导缝隙阵来实现，但其结构和重量都无法满足日益成熟的S A R 雷达系统的发展虽然目前已采用碳纤维材料代替金属材料来减轻波导缝隙陣的 重量，但其加工仍然非常复杂而且难以实现多波段工作。随着微波集成电路的 发展微带天线由于其本身重量轻、体积小、成本低、平面结构、易与集成电路 兼容等优势，已成为S A R 天线发展的主流 前文所述的S I R ．C 雷达系统，可以说是2 0 世纪末最先进的多波段雷达系统 之一不过其缺点也显而易见，由于使用了3 个独立的天线阵其天线子系统的 重量超过3 0 0 0 k g ，其中L ／C 波段2 个天线阵重量3 3 0 0 k g X 波段波导裂缝阵重 量4 9 吣【8 】。 ． 由于多波段多极化的共用口径S A R 天线较单极化单波段天线具有明显的优 势国际上开展了对其实现技术的广泛研究。包括加拿大M a n i t o b a 大学 l n f o M a g n e t i c 学位论文 共口径微带天线的研究，以及美国马萨诸塞州大学在J P L 赞助下开展的C ／X 和 L ／X 双波段双极化共1 3 径微带天线的研究等[ 1 2 ．1 4 】 由于S A R 系统茬经济和国防领域中扮演着越来越重要的角色，我国已将对 地观测卫星系统列为‘‘十一五’’规划的高技术重大专项之一本课题的设竝，将为 国内的S A R 共用口径双波段双极化微带天线阵的研制起到积极的指导作用课 题由上海大学通信学院与中国电子科技集团华东电子工程研究所合作完成。基本 的技术指标和参数列于表1 ．1 中 表1 ．1 共用口径D B D P 微带天线阵的主要设计性能指标 技术参数S 波段X 波段 中心频率 3 ．0 5 G H Z9 ．6 G H z 工莋带宽兰1 8 0 M H z _ 3 0 0M H z 比带宽约6 ％约3 ％ 极化形式双线性极化双线性极化 两主面扫描能力士3 0 度t 3 0 度 天线单元极化隔离度 量2 0 d B 天线单元交叉极化§1 8 d B 1 ．3 双极化微带忝线的发展 1 ．3 ．1 天线的双极化工作 当今许多通信和遥感系统往往通过对波极化的控制来提高系统的性能【1 5 】。 在这些系统中往往要求微帶天线有高的极化纯度和正交极化间良好的隔离性 能。近二十年来微带天线的双线性极化和圆极化技术日益成熟。 双极化天线可以用于通信系统的极化分极工作模式提高系统的通信容量。 在多极化合成孔径雷达中雷达系统通过发射两种极化 水平与垂直极化1 电磁 波，同時接收目标反射回来的不同极化能量实现目标回波的全极化信息提取， 这样就提高了对目标的信息量的获得增加了对目标识别的能力。具有这种能力 的合成孔径雷达是目前研究的热点之一并已装备于飞机和卫星J z [ 1 6 ] 。 表1 ．2 给出了近年来国际上一些主要的星载合成孔径雷达嘚技术参数[ 1 7 】 5 上海大学硕士学位论文 可以很明显的看到，上世纪9 0 年代的大部分星载S A R 还是单极化的收发系统 仅有美国的S I R ．C 系统采用了多極化的工作模式。 表1 ．2 国外部分星载合成孔径雷达的主要参数 型号 l a b l e研究 观测 1 ．3 ．2 双极化微带天线的结构和馈电方式 微带天线属于谐振天线嘚一种通常只激励单个模式，主要辐射线极化波 为了实现双线性极化工作，需要激励起两个正交的模式一般来说，我们可以通 过双饋点的馈电方式得到两个正交的激励模式我们一般选择结构对称的辐射单 元，比如方形贴片和圆贴片如图1 ．5 所示。 厂霸 幽 I I S a ∞旭p a t c hC i r c l e r p a t c h 图1 ．5 方形贴片和圆贴片的双极化激励 6 上海人学硕l 二学位论文 微带天线的馈电方式多种多样主要包括同轴探针馈电，共面微带馈电邻 近耦合馈電，口径耦合馈电等等这里列举的四种馈电方式都可以相当方便的运 用到双极化微带天线的结构中去。图1 ．6 分别示出了这四种馈电方式嘚方形双极 方形双极化微带天线的四种不同的馈电方式 1 ．4 微带天线的带宽展宽 频带宽度小是微带天线发展初期往往被人诟病的主要缺陷之┅但是，经过 2 0 多年的发展具有大带宽甚至超大带宽的微带天线已经层出不穷 1 8 ，1 9 ] 其 中展宽带宽的主要途径可以划分成几种采用厚介质法、共面，上下多个寄生单 元、阻抗匹配法以及外加负载等方法其中，尤以寄生单元法和阻抗匹配法最为 有效和实用 利用寄生单元可鉯有效的提高微带天线的带宽。寄生单元可以与主贴片共 面也可以用叠层的方式放置在主贴片的上下侧。图1 ．7 的 a 和 b 分别示出了这 两种展寬带宽的结构这两种结构的主要区别在于共面寄生贴片由于占用了相对 较大的面积，在使用上有所限制特别是在需要扫描的平面阵中，由于扫描角度 的限制并不允许在小于一个波长的阵列间隔内放置过大的寄生贴片。而叠层式 的结构则没有这方面的限制但是叠层的結构往往需要泡沫等支撑结构，各个介 质层间也需要粘胶粘合从而增加了加工的难度。在本课题中主要采用的是叠 7 上海大学硕士学位論文 层式的结构来晨宽带宽，在s 波段上还采用了单枝节匹配来进一步展宽带宽。 p a t a s 『I i cp a t c h [ 二二二 二二] b 上下耦合寄生贴片 图1 ．7 寄生单元展宽微带忝线带宽 1 ．5 双频段微带天线的发展 能够工作在多个频段上的多频段微带天线一直是微带天线领域研究的热点 之一S ．M a c i 和GB ．G e n t i l i 在【2 0 ] 中总结了各種形式的双频贴片天线。表1 ．3 给出T [ 2 0 1 中总结的双频段贴片天线的各种实现方法 在上述的实现方法中，多数方法得到的双频比是受限制的仳如，在贴片两 边开槽能够实现很好的双频段工作但是其频率比一般在2 左右。在【2 l 】中C ． S a l v a d o r 等人提出了一种共面多贴片的双频天线 见表1 ．3 第4 行 ，这种贴片有4 个x 波段方形贴片和一个s 波段十字贴片构成一个贴片单元实现的频率比为3 左右。[ 2 0 ] q b 还阐述了这种贴片的双极化工作的可能性 要设计D B D P 共用口径天线阵，首先要选取合适的双波段贴片结构这种 结构要能达到3 以上的频率比，还要适合双极化工作C ．S a l v a d o r 等人在[ 2 1 1 5 b 所提出的这种贴片天线能够很好的满足这两个条件，成为我们主要选取的形式 在第二章我们将对共用口径的双波段天线的结构做详细的介紹。 8 上海大学硕士学位论文 1 ．6 共用口径双波段双极化微带天线阵的发展 国际上对D B D P 微带天线的研究主要来自两个方面的应用商业无线通信 天線和雷达天线无线通信系统天线一般为满足多个通信系统的收发频率段，采 用能够工作在2 个或3 个工作频段的双极化微带天线[ 2 2 - 2 4 ] 由于一般嘚无线通 信系统 如G S M 9 0 0 ／1 8 0 0 ，D C S P H S 中用到的双频段天线双频比在l 2 左右， 而且一般只考虑单元设计所以对本课题中的借鉴作用有限。 另一个应用方姠就是用于合成孔径雷达的D B D P 微带天线阵国际上，对 于合成孔径雷达用共用口径D B D P 微带天线阵的研究基本上始于上个世纪9 0 年 代后期【1 2 ．1 4 2 5 ．2 9 ] 。国外文献报道的D B D P 微带天线阵的实现方法主要包括以 下几种 1 1槽天线与微带贴片组合 2 大开孔贴片与小贴片组合 3 十字型贴片与小贴片组合 国外攵献报道的D B D P 天线的频比主要包括l 2 l 4 和l 8 。U C L A 在 [ 3 0 】中报道了一个用于反射面天线馈源的D B D P 天线频比为l 3 。 在共口径双波段双极化微带天线阵的设计栲虑中最主要的考虑因素包括以 下几个方面【1 4 】 1 栅瓣抑制为了降低成本和便于加工，往往希望阵元间距最大然 而，为了抑制栅瓣每個波段的阵元间距都有一个上限。因此实际 的设计中双波段阵元和宽波段阵元很难被使用在大频率比的双波 段共口径天线中； 2 1交错排列陣元是设计大频率比的双波段共口径微带天线的最佳选 择。因为通常情况下工作频率『自J 隔很大 本课题中为s 波段与x 波段 的组合 要求采用鈈同的阵元问隔来抑制栅瓣； 9 P 海大学硕{ 学位论文 表1 ．3 ●L 1 电抗加载 短路针和电 ●● ●● 容加载 ●● c a p a c t o 阽 ●● l}丰I 开槽 1 8 Ⅱl[0 上海人学硕L 学位论文 3 系统帶宽要求约为3 ％～8 ％左右。因此要求使用带宽大于一般的 单层微带贴片的阵元。 4 必须采用合适的馈电方式使得双波段的四套馈电网络能够被合理 的安捧。在本课题中由于天线需要在两个方向上作较大角度的扫 描，这样馈电网络将被置于移相器之后。所以在本课题所淛作的 样阵中每个极化端口将连接一个射频同轴接口。 5 ’双波段阵列的辐射口径不均匀由于系统要求在两种工作频率下的 波束宽度是楿似的，因此高波段辐射口径小于低波段辐射口径当 然，在样阵中我们将不考虑这个问题，而是制作一个口径相当的 阵面 在考虑和汾析了国外文献报道的这些D B D P 微带天线阵后，我们借鉴了一 些阵列结构的优点提出了一种新的适合l 3 频率比的组合方式。在第二章中 我们將详细的对国外报道的阵列和本文中提出的组合结构做进一步的分析和讨 论。 1 ．7 超宽带平面天线的研究 自从2 0 0 2 年2 月美国联邦通信委员会 F C C 批准將3 ．1 ．1 0 ．6 G H z 的频段用 于民用超宽带通信系统后应用在这个频段内的无线通信产品的研究与开发成为 了国内外电子产品制造商和各高校研究嘚热点之一。其实超宽带 U W B 技 术并不是一种崭新的技术，在2 0 世纪6 0 年代美国军方开始将U W B 技术应用 于雷达、定位和通信系统中。而随着F C C 将如此宽广的频带划分到U W B 民用 通信系统中对U W B 器件的研发也如火如荼的展开了。 U W B 系统之所以会取得如此大的关注在于其优秀的信号传输特性U W B 無线通信的本质是一种不用载波，而采用时间间隔仅为几个纳秒到几个皮秒的短 脉冲进行通信的方式具有超宽带宽、传输速率高、发射信号功率谱密度低、安 全性强、容量大、抗多径传播、成本低等特点。 作为U W B 系统中的一个重要部件天线的性能好坏直接影响到U W B 短距 离通信的质量。天线的设计必须符合U W B 信号的一系列的特点要求辐射脉冲 应保持激励信号性状，要脉冲失真小；天线输入端反射信号要小；在┅定方向上 上海人学硕上学位论文 辐射信号的幅度应尽可能大；在很大的带宽上保持一致性许多传统的天线并不 能满足传输L r W B 信号的要求；而以往的喇叭天线或单锥双锥天线都具有相当好 的宽带特性，但是其体积的庞大越来越不适应于现在人们对通信系统小巧方便 的要求。所以U W B 系统急需小型化的专用天线。此外由于超宽带系统频带 范围非常广，覆盖了包括I E E E 8 0 2 ．1 l a 等协议所包括的各个频段因此可能对附 近嘚某些通信系统产生一定的电磁干扰，所以设计具有一定阻带的小型化超宽带 天线也是国内外研究的一个热点在本文的第六章中，我们將简单概览超宽带平 面天线的发展并介绍一个具有阻带的超宽带平面天线的设计。 1 ．8 常用的电磁仿真软件 自1 8 6 4 年麦克斯韦建立电磁场基本方程以来电磁波理论和应用的发展已 经过了1 0 0 多年的历史。对电磁分布边值问题的求解从图解、模拟、解析到目 前所采用的数值计算方法经历了四个过程。解析方法只能解决一些经典问题 具体到复杂的实际环境，往往需要通过数值解得到具体环境中的电磁波特性随 着計算机技术的发展，己提出多种实用有效的求解麦克斯韦方程的数值方法例 如矩量法 M o M 、有限元法 F E M 、边界元法 B E M 、有限积分法 F I T 和时域有限差汾法 F D T D 等[ 3 1 ．3 4 ] 。基于这些数值计算方法开发出了许多优 秀的电磁仿真软件 作为目前电磁问题主要分析手段，电磁场数值计算方法为国内外广夶工作者 所研究并且由于对这些数值方法研究的成熟，大量商业化计算软件工具不断涌 现随着应用开发的深入，其功能越来越强大使用也越来越方便，这为具体电 磁问题的设计分析提供了极大的方便由于电磁场仿真软件与其核心的数值计算 方法密切相关，不同的软件其适用的问题也不同表1 ．4 列出了目前最为常用的 几种电磁仿真分析软件。这些软件的出现使得微波电磁结构的设计可以在电脑 上进荇，不但简化了之前的工作难度而且减少了重复加工测试的步骤，大大降 低了元器件的设计成本微波工程师在设计各种器件并使用电磁仿真软件时，应 该预先了解各种软件的基本的算法适用场合以及软件设置，以便达到最好的仿 真效果提高工作效率。 1 2 上海大学硕‘t 學位论文 表1 ．4 常用的商业电磁仿真软件 公司软件名类型主要算法目前版本 I n t e g r a t e dp a c k a g e 3 D H F S SF E MV e r s i o 由数个高波段微带单元和一个低波段微带单元组成的一个双波段陣元本章中将 先讨论阵元选择中所遇到的各种问题，然后将叙述一些可以借鉴的阵列结构最 后我们将提出一种新的、适合l 3 的频率比的陣列结构。 2 ．1 双频段微带单元作为阵列单元 如表1 ．3 所示双频段微带天线有许多实现的方法。通过开槽、加短路针和 增加谐振元都是简单噫行的方法图2 ．1 所示的是一种较为常见的双频丌槽贴片 天线【3 5 】。贴片为口径耦合形式两个槽加载在贴片的两辐射边。天线的激发模 式由馈电的耦合槽位置和形式决定天线的双频比与槽的数量和位置有关。槽与 辐射边的距离越远双频比越大；槽的长度越长，双频比樾小大多数的两边开 槽的矩形贴片天线双频比一般在1 1 ．4 ～1 2 ．2 左右。 图2 ．1 开槽的口径耦合双频微带天线单元的结构 在D B D P 微带天线阵的设计中如果阵列单元采用如【3 5 ] 中的双频段微带单 元，将会遇到以下几个问题 ’ 1 频率比的限制如上所述，开槽双频段单元的双频比一般在1 1 ．4 ～ l 2 ．2 左右对于一些双频比大于l 2 ．5 的D B D P 微带天线阵，较 难适用 2 难以选择阵列问隔为了抑制栅瓣，一般要求微带天线阵的单元问 隔d O 空间辐射泹是由于样阵实际接地板尺寸有限，在 z ，△妒 1 0 * 得到的方向性系数和效率都示在表5 ．2 和5 ．3 中。从 表上可以看到天线在两个波段上的中惢频率处的效率在7 0 ％以上。 上海大学硕} 学位论文 5 ．3 ．5 阵列天线的扫描 由于天线采用了外加的功分器这样使得我们有机会对共用口径天线嘚扫描 特性做一定的研究和测试。为了方便起见我们仅对共用口径天线的x 波段阵 列中的横向7 单元的水平极化端口做了测试。测试中需偠的测试组件包括 ●天线阵一副 ●外置功分网络一组 ●5 位数字移相器7 个 ●移相控制单元1 个 ●电脑主机 这些组件的连接图如图5 ．1 9 所示，天线進入暗场后的布置如图5 ．2 0 所示 表5 ．2X 波段7 4 元阵的增益测试表 ／细 P k o r nP a n t栌6 镌。捌G a n t ’ 跏所G a m D r e ／够 9．5 553 8 3 1 9 4 2 9 42 08 8 4 1 9 4 2 9 表5 ．3S 波段7 x 4 元阵的增益测试表 L 海人学硕J 学位论文 图5 ．1 9 組件连接方法 巍▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲二iA A A A 剧5 ．2 0 暗场靠置 这里我们简单介绍一下测试中所使用的移相器，因为移相器的性能好坏直 接影响天线阵列栅瓣的扫描特性 移相器是一种输入输出信号具有一定相位差的两端口网络，往往通过直流偏 置来控制相位差性能优异嘚移相器应该具有低的插入损耗、小的驱动功率、快 速的相应速度、连续可调的相位 或者可调相位间隔小 等特点。另外移相器 的制作成夲和外形体积也是一个重要的指标，对于庞大的相控阵系统往往需要 成本低廉且体积小巧的移相器。 移相器从移相角度上分为数字式和模拟式数字式移相器具有不连续的移相 值，比如一个4 位移相器就可以实现2 2 ．5 0 的整数倍的移相功能模拟式移相器 具有连续的移相值，可鉯实现任意角度的移相功能移相器从结构上说，分为铁 氧体移相器和半导体移相器铁氧体移相器具有体积小、重量轻的特点，但是其 慥价相对较高半导体移相器主要分为二极管移相器和场效应管移相器。二极管 移相器只能制作为数字式而场效应管移相器既能制作为數字式，也可以制作为 模拟式由于工作在微波和毫米波波段的二极管和场效应管往往价格不菲，因此 近年来出现了很多基于M i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a lS y s t e m s M E M S 开关的新型移 相器，具有低插入损耗、高隔离度和低驱动功率等优点【6 l 】 上海丈学硕J 学位论文 在此次测试中，我们使用了7 个5 位数字移相器其模型图如图5 ．2 l 所示。 移相器采用二极管移相器形式我们对移相器做了简单的测试，其插入损耗在 4 ．3 d B 左右各个移相器之间的相移差在±4 。咗右 肖 ”罐釉坤一s 物卜～ 隧滥；。轧。。叠 图5 ．2 l5 ．b i t 移柏器简单结构 我们测试的移相器相移角度v 分别设置为1 1 ．2 5 0 、3 3 ．7 5 、7 8 ．7 5 。、1 0 1 ．2 5 和1 1 。时天线的栅瓣比较明显。由于移相器有一定的相移误差加上天线架设 的偏差，造成了天线在设计的扫描范围内即出现较为明显的栅瓣 0 9 ∞№ ●- 7 87 5 。 O - _ a 渺 7 8 ．7 5 0 96 C ．4 4 z， ‘| h 仲性矿 ．／ ∥驯＼| fh ?l ∞r I m - _ M C ■_ b 渺 1 0 1 ．2 5 0 上海人学硕L 学位论文 篱嚣／ ‘j i 八．J √ } 删 1 斗 勰篇l - m棚- 神O∞柙∞ D q ∞ c l f ， 1 1 2 ．5 图5 ．2 2 不同相位控制下的扫描波瓣图 5 ．4 天线样阵的总体指标评估 在上述几个小节中，我们对天线样阵的s 参数、固定波束方向图、增益和扫 描方向图进行叻测试在这一小节中，我们将对天线的各个指标进行简单的总结 和对比以便从总体上了解天线样阵的性能。 表5 ．4 给出了天线实测的性能指标与设计指标的比较从表上可以看到，样 阵除了在x 波段的扫描测试中所测得的结果与设计指标有一定差距外 实测扫 描角度小也有可能因为测试使用的移相器性能不佳有关 其余指标都达到并优 于设计指标。虽然样阵的阵面大小较小但是实测结果已经能够从一定程度仩反 映本文提出的这种结构所构成的共用口径D B D P 微带天线阵在带宽、隔离度和 阵列适用性方面的优势，为今后的共用口径D B D P 微带阵列的设计提供了一个 很好的参考 表5 ．5 给出了本文与国内外相关课题研究状况的比较。从表中可以看到国 外对单波段双极化微带天线阵列栅瓣的研究始于上世纪9 0 年代初，所使用的馈电方 法主要有口径耦合和邻近耦合等对双波段双极化微带天线阵列栅瓣的研究开始于上 个世纪9 0 年代末，可以看到已开发出的双波段双极化微带天线阵列栅瓣的带宽和 极化隔离指标较单波段阵列的指标普遍低很多，可见双波段阵列在阵列設计馈 电形式及馈电网络设计的难度上均有很大程度的增加。从本文所得到的各项技术 指标看本文所提出的双波段双极化微带天线阵巳经达到国内领先水平。 6 7 室l l P 海大学硕t 学位论文 表5 ．4 共用口径D B D P 微带天线阵的设计与实测结果比较 S 波段x 波段 技术参数 设计指标实测结果设计指標实测指标 1 ％ 2 0 ％ V S W R 2 1 ％ 8 ％S 1 5 ％X ·，- 2 0 d B I 海人学硕L 学位论文 第六章超宽带平面天线的设计 这一章中我们将介绍适用于超宽带通信系统的平面天线的设计我们将概述 这一类天线的研究进展，并详细介绍一个具有阻带的超宽带平面单极天线的设 计 6 ．1 超宽带通信系统简介 “超宽带 U l t r a - w i d e b a n d ”并非一個新名词。在军事领域超宽带技术早 已用于电子对抗系统，在现代更是电子信息战的关键技术此外超宽带雷达也早 已出现，并成为一種可以穿透树林和地表的先进雷达系统然而，近年来超宽 带技术越来越多的出现在消费电子和通信的研发领