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[博士论文] 夏雨龙
电磁场与微波技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:相控阵天线由于具有高增益辐射与无惯性波束扫描等优点,因此被广泛应用于雷达、通信以及成像等系统中。平面相控阵天线的波束扫描范围通常只有120°(-60°~+60°),共形相控阵可以突破平面相控阵的扫描范围限制。因此,共形相控阵得到越来越多的关注。
  导引头是引导导弹准确攻击目标的关键装备。目前导弹采用的微波、毫米波导引头主要采用机械控制扫描的平面天线,存在着扫描范围小、速度慢、精度与可靠性低等问题。若依据弹体的锥面与柱面结构构建共形天线,并通过相控波束扫描控制,则可实现全空域(即全立体角)扫描的共形相控阵,这不仅可以极大的扩展导弹的攻击范围,还可以使导弹具备一定的信息后传的能力。现有文献未见有利用柱面与锥面共形结构实现全立体角扫描阵列的报导。因此,研究弹载共形可全立体角扫描的相控阵具有很强的现实意义与理论价值。
  本文首先探讨了柱面与锥面阵列的辐射场求解问题与波束覆盖问题。在求解辐射场的问题中,根据柱面与锥面共形阵列中单元的指向与极化旋转关系,得到了柱面与锥面共形阵列的辐射场的求解方法。在波束覆盖问题中,提出了柱面与锥面阵列实现低仰角波束扫描的方法,并以此得到了弹载共形相控阵全立体角波束扫描的设计方案。
  其次,设计了锥面与柱面共形微带天线单元,并利用所设计的共形微带天线单元构成锥面与柱面共形微带天线阵列以分别实现弹体前向30°≤θ≤150°,60°≤ψ≤120°范围内以及侧向60°≤θ≤180°,60°≤ψ≤120°范围内的波束扫描覆盖。
  再次,基于PEC表面的磁流源辐射模式,设计了柱面共形微带八木天线并以此构成柱面共形后向阵列,实现了弹体后向0°≤θ≤30°,30°≤ψ≤150°范围内的波束扫描覆盖。同时,基于口径投影法对阵列单元馈电幅度进行优化,得到了较为理想的辐射方向图。
  最后,对共形阵列的馈电网络进行了设计,对前面设计的三个阵列进行了组合,并对阵列样品进行了加工与测试。实测结果显示阵列样品可以实现前向与侧向30°≤θ≤180°,60°≤ψ≤120°以及后向0°≤θ≤30°,30°≤ψ≤150°范围内的波束扫描覆盖,满足设计方案的要求。若将数个样品按圆柱与圆锥周向排布,并且引入周向馈电切换,则可以实现全方位扫描覆盖。
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