1、西安电子科技大学硕士学位论文余割平方赋形波束阵列天线的研究姓名：张运启申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：杨林201203摘要qYlllll2lllllolllllllllllllllLIIIllllllllll67837Y20随着导航技术的飞速发展，对导航天线的要求越来越高，要求阵列天线的方向图达到余割平方赋形，并且需要低副瓣电平。利用印刷偶极子组阵的余割平方赋形波束阵列天线，由于其具有结构简单，重量轻，满足天线余割平方赋形和低副瓣的要求，因此被广泛的应用于导航天线的设计中。本文首先介绍了印刷偶极子天线的基本概念，从余割平方赋形波束的设计指标出发，分析了实现其技术指标所遇到的问
2、题及解决办法。使用L波段印刷偶极子组阵来实现其技术指标，通过遗传算法综合五个单元的幅度和相位，并对其馈电网络的相位进行调节。其次，从阵列天线的设计理论出发，详细探讨了如何设计余割平方赋形波束阵列天线。其中包括如下内容：(1)印刷偶极子天线的设计理论(2)遗传算法综合出天线阵列单元的幅度和相位 (3)对馈电网络的功分器单元进行仿真，并对馈电网络的各个端口的相位进行调节(4)整体仿真阵列天线，优化方向图，加工实物并进行实测最后，对整个设计过程进行了总结，对设计过程中遇到的问题提出了解决办法。根据最终的设计结果加工了实物，在微波暗室中进行测试，测试结果表明，该天线的各项指标满足对X项目的工程应用要求
3、。关键词：导航天线印刷振子阵列余割平方遗传算法AbstractWitll the rapid development of the navigation technologies，there is increasingdemand for the navigation antennaIt requires that the directional diagram of the arrayantenna fit the cosecantsquared pattem and the low sidelobeWith the printed dipoleassembled into the army
4、，the cosecantsquared antenna array has the advantages ofsimple structure，light weightAs it fit the demand of the cosecantsquared pattem andthe low sidelobe，the antenna has been used widely in the design of navigation antennaIn this paper,we first recommend the general information about the printed d
5、ipole，introduce the navigation antenna technical specifications，discuss the problems andsolutions in the antenna designWith the L-band printed dipole assembled into the array，the antenna meets its technical indexWith the help of GAit synthesize the amplitudeand phase of these five cellAdjust the pha
6、se of the feed networkThen，in the view of the antenna array theory，more details about the design stepsare discussed as follows：(1)ne design theory of the printed dipole(2)Witll the use of GA，synthesize the amplitude and phase of these five cell(3)Simulate the power divider of the feed network，adjust
7、 the phase of each port of thefeed network(4)Simulate the whole of the antenna array，optimize the directional diagram，processthe antenna and measure it in the microwave anechoic chamberFinally,summarize the process of the design and figure out the solution of theproblemsProcess the antenna due to th
8、e final resultMeasure it in the microwaveanechoic chamberThe results show that this antenna fit the target of the item X in allindexKeyword：navigation antenna printed dpole away eosecantsquared GA第一章绪论第一章绪论弟一旱殖记11研究背景及意义无线电设备通过电磁波来传递信息，在无线电系统中，用来接收和发射电磁波的装置称为天线，天线在发射端通过把高频的电流形式的能量转变成同频率的无线电波能量发射出去；而
9、在接收时，天线则把接收到的高频的无线电波能量转变成同频率的电流能量传送给接收设备。天线是和发射机、接收机一样，是无线电系统中十分重要的组成部分之一。随着现代的电子技术的快速发展，作为现代战争中的主要的信息源之一，雷达在预警、跟踪、防空制导、识别、战场评估等方面都发挥着重要的作用Il儿2。由于电子对抗技术的发展迅速，现代战争的敌对双方都以摧毁敌方预警、侦查、通讯系统作为首要目标，所以作为预警、侦查系统的主要装备雷达的性能和生存能力的好坏关系到战争的胜败。天线是电磁波的收发部件，是无线电系统的重要组成部分。在过去一个多世纪的发展过程中，天线形式多种多样、性能各异，因此被广泛应用于通信、制导、广播、
10、雷达、对抗等领域。战术空中导航系统【3(Tactical Air Navigation System)，简称塔康(TACAN)它是由美国海军在1956年为航空母舰上舰载机的导航而研制的无线电导航系统，也是世界上第一个能够为飞机同时提供距离信息和方位信息的导航系统。塔康天线从其用途来讲15】，有固定式，地面移动式，船用型，机载型多种。从形成方向图扫描的机理上来区别，有机械扫描式和电子扫描式两类。塔康天线通常要求架设在较高的塔架上，以减少地面物体反射波所造成的多路径干涉效应。在架设条件许可时，天线往往采用大的垂直孔径，使垂直面方向图呈所谓“余割形”，以进一步减少对地面的能量辐射。塔康天线的高度定向
11、性可以提高对目标的分辨率16J，但同时延长了雷达对目标空域的扫描时间。随意展宽波束宽度虽然提高了覆盖但降低辐射能量。为了解决这两个矛盾，出现了余割平方方向图。图11塔康天线工作状态2 余割平方赋形波束阵列天线的研究如图(11)所示，在低仰角处方向图电平下降较快，以减少地面的反射。而在高仰角处方向图电平下降慢，采用余割平方进行波束赋形，使得天线在很长的距离范围内接收电平尽量保持不变【7】【引。天线的单元采用微带形式，微带天线【9】是由传输线的理论发展而来的一种天线形式，由于微带天线Il o】具有重量轻、体积小、低剖面，而且微带天线的电性能多样，能与电路、有源器件集成为统一电路，适合大规模的生产，
12、简化了制作和调试的过程，大大降低了成本，在波束赋形阵列天线中使用微带天线，可以制成重量轻、易快速架设的阵列天线。本文设计的余割平方赋形波束阵列天线是源于一个在研导航项目，采用余割平方赋形波束，设计时要求尽可能在规定的尺寸内设计用印刷偶极子组成的天线阵列，余割平方部分在一5dB以上，波束宽度在30度以上，波束指向在4到10度之间。12塔康系统的背景塔康系统是空军导航体制中重要的导航系统。塔康系统14】是在1948至1951年间由美国研制的，在1954年投入装备，过去的几十年来该系统发展很快。目前全世界已经有三十多个国家大量装备了塔康系统，塔康系统早已成为美国和北约的军事标准系统，是世界上普遍使用
13、的十几种无线电导航系统之一。1983年美国著名导航专家SH多丁顿预计全世界装备的塔康机载设备约有一万七千台，80年美国联邦无线电导航计划公布，仅美国军方拥有的塔康地面台和舰载台就有340多个。鉴于塔康系统的优点非常明显，美国、北约及其他许多国家都掀起了大规模的采用塔康的浪潮，仅美国在20世纪70年代就设置了1000多个塔康地面台，使用塔康机载设备的飞机超过7000架，采用的塔康机载设备型号有数十种。塔康系统也是我国空军采用的重要导航系统之一，目前多种型号的飞机都装备有塔康机载设备。近年来，许多公司或研究所还在不断研制新型塔康系统，赋予其更多的功能，例如与数据传输设备相融合构建“空地”数据链等。
14、13本文研究内容及主要工作本论文的主要研究工作是对于余割平方赋形波束阵列天线的具体设计展开的，主要包括以下几个方面：1简单介绍了导航天线的基本概念，说明了塔康天线的研究现状。第一章绪论2印刷偶极子单元的设计根据阵列天线的指标要求，设计了L波段印刷偶极子天线单元，根据阵列天线的整体的尺寸要求对单元的大小进行了调整，初步确定了阵列天线的单元。3阵列天线方向图的综合与优化根据阵列天线的指标要求，利用Matlab编写了遗传算法程序，对阵列天线的方向图进行了综合，在综合出来的基础上，考虑天线单元之间的互耦，对综合出的各单元幅度和相位进行了优化。4馈电网络的仿真根据优化得到的幅度和相位，设计了一分三和一分
15、二的Wilkinson功分器，根据优化得到的相位设计了阵列的馈电网络，并仿真调整了馈电网络各个端口的输出相位。5阵列天线整体仿真把印刷偶极子单元与馈电网络集成在一起进行仿真，优化了各个端口的相位，对驻波比进行了调节，加载了开路和短路支节，根据指标要求设计了耦合端口，在上面的仿真结果上考虑加载工装的影响，最后进行了整体调节，加工实物并在微波暗室中进行了实测。第二章天线阵列单元的设计211微带天线的结构第二章天线阵列单元的设计21微带天线的基本理论微带天线9】1401是由一块厚度远小于波长的介质基片和覆盖在介质基片的两面上的金属片构成的，其中的一片金属片完全的覆盖在介质板的一面，称为接地板；而另一
16、个金属板的尺寸是可以和波长相比拟的，称为辐射元，辐射元的形状可以是方形、矩形、圆形、椭圆型等等。微带天线的形式就是以它的形状来命名的，如图(21)所示。微带天线的主要优点是：重量轻，体积小，剖面薄，结构紧凑，性能可靠，具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构，馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产，容易实现双频段工作、双极化和圆极化形式。微带天线的主要缺点是：频带窄，波瓣宽，增益低；有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；性能受基片材料影响大；交叉极化大，功率容量低等。辐射元缨基片包鱼 璺212微带天线的工作原理图21微带天线的形式微带天线的
17、基本工作原理【11】124】吲可由考察矩形微带贴片来理解，如图(22)所示，贴片尺寸是口b，介质基片厚度是h，其中hl时，电流源元的远场区为：易巧WsiIl矿 (2-9)岭j去虹9矿q魄q沙甄b一兰：一以n一犰删一地肿一啦乙乙一峨珥第二章天线阵列单元的设计考虑到我们要研究的观察点己足够远，各单元电基本振子到观察点的射线可以看成是相互平行的，于是有岛岛0q020 (210)，+IzI cos0r2，一I zlcos0由于，1，在计算各单兀基本振子辐射场的振幅时，。司以认为，；r2，。但是，；和吒之差可能并不很小于波长，因此各单元基本振子辐射场有射线长度差引起的相位差不能忽略。将式(210)代入式
18、(28)，对整个振子积分，得到对称振子的辐射场：E(=r峨+嘎=_601Mcos(k1cos万0)-一cosd P一归各(2-11)对称振子辐射场的等相位面是以振子中心为球心的球面。利用S=Ex H和i EI1日I_，可以得出辐射磁场：H(矽)：=1Mcos(kco_sO_)-一coskl P一步； (212)z死r S1nH场强方向函数(口，矽)=掣凡对于线天线A：601,，L波腹电流。得到对称振子的场强方向函数厂(口，)：cos(kc_osjO)_-一cosk归一化场强方向函数为F(秒，矽)：cos(kc_os_O)-rcoskl，式中厶f(g，矽)的最 ，。，Sln大值。实际常用的对称振
19、子是半波振子。它是全长21=052的对称振子。将I2=025代入，由于厶=1，得半波振子的归一化场强方向函数：F(9)：厂(口)：cos(klcois O)-cos kl(2-1 3)对应的半功率波瓣宽度2鼠，F78。12 余割平方赋形波束阵列天线的研究图27半波振子和方向图的半功率波瓣宽度23印刷偶极子结构及其原理印刷偶极子天线【35】136137)141是半波振子天线发展而来的，印刷振子是线极化印刷阵列中普遍采用的一种单元形式，典型的印刷振子是矩形的，印刷在基片的一面或两面，带宽比较窄。当印制在基片的同一面时适合采用共面带线(CPS)【l习馈电；当印制在基片的两面时则应用平行双导线【l 3
20、】馈电。为了展宽普通印刷振子的带宽，Lin，YD提出了蝶形印刷振子【141。但是由于其馈电结构的关于地面平衡的性质，普通印刷振子无法与馈电网络集成【15】116】，从而限制了其在阵列中的应用，Edward B【l 7J提出了一种微带线馈电的、具有集成巴伦的宽带印刷振子的结构，可以把馈线和振子集成在一起，阻抗带宽也展宽了。在实际应用中具有集成巴伦的印刷振子不仅具有宽带性能，而且便于同馈电网络相集成，易于实现平面结构。231印刷偶极子的结构图28印刷偶极子的结构第二章天线阵列单元的设计印刷偶极子125】天线具有结构简单、易与制造和批量的生产、占用的空间较小，还容易和其他电路相集成到一起等优点。印刷
21、振子的单元采用徼带印刷双面覆铜板(文中尸265，h=2mm)。具有集成巴伦的印刷振子印制在介电常数为s，、厚度为h的微带基片上，其结构如图(28)所示。基片的一面是印刷振子臂和平衡馈电巴伦，另一面是微带馈线和匹配网络。印刷振子的长、宽分别为L、，其中，厶为04凡，为O05厶，九为谐振波长。与巴伦结构相互集成在一起，开路的微带线长度是只；短路的微带线起点为振子臂宽度的中线，宽度是彬，长度是气；乙为振子谐振阻抗。232巴伦结构及其电路实现巴伦的结构首先是由Robertstl8】在同轴的结构中首先提出来的，它的结构如图(28)所示，它的等效电路在图(29)中给出。巴伦的结构由Bawer和Wolfel
22、l 9】发展成为印刷电路的形式。Oltmanl20l介绍了怎么选择巴伦和传输线的特性阻抗，以和频带内与频率相关的负载相匹配。图29同轴巴伦结构Z1图210等效电路在图(210)，特性阻抗是乙的同轴传输线形成的串联开路支节，其负载阻抗为Zl，同时，特性阻抗是乙、乙的同轴传输线形成了分路短路平衡线支节，其负14 余割平方赋形波束阵列天线的研究载阻抗是Zd。从等效电路可以得到巴伦结构的输入阻抗为：Zm：一，Z6cotOb+丝!垄!竺鱼 (214)ZJ+jz口btan8曲式中酿是开路串联支节的电长度，约为90。，既是短路分流支节的电长度，约为90。通过调节微带线的长度幺和平衡线的长度如，集成巴伦可以获
23、得振子输入阻抗的良好匹配。24印刷偶极子单元仿真与调试241印刷偶极子模型的建立根据上述原理设计单元，设计并制作了L波段集成馈电巴伦的宽带印刷振子，Ld=I2，振子印制在=265，h=2mm的介质板上。调节振子的臂长，巴伦的长度和宽度以及缝隙的长度和宽度使印刷偶极子在频带内驻波比小于15。单元的参数是：表21印刷偶极子的尺寸Wd Ld W1 L1 W2 L2 W3 L3 L4 L516(mm) 138 55 14 28 55 25 9 60 90辅第二章天线阵列单元的设计242印刷偶极子尺寸的影响1。0 200图212印刷偶极子的模型印刷偶极子的尺寸决定着天线的谐振频点，调节振子的臂长Ld对驻
24、波比的影响如图213所示，调节巴伦的长度对驻波比的影响如图214所示。调节缝隙的长度对驻波比的影响如图215所示。图213振子臂长对驻波比的影响 图214巴伦长度对驻波比的影响16 余割平方赋形波束阵列天线的研究图215缝隙长度对驻波比的影响 图216综合得到的驻波比综合上述因素，应用振子臂长为138mm，巴伦的长度为63mm，振子的缝隙长度为79mm。综合得到的仿真驻波比如图21 6所示。仿真得到的最终结果驻波在整个频带内全部在15以下，满足使用的要求。仿真得到的中频3d方向图：爨-兰簌暴“!：i刁o270图217中频的3D方向图 图218单元低频石的E、H面方向图仿真得到的低频、中频、高频
25、的E面和H面方向图如图(218)(220)所o加菊瑚均拍圆mo第二章天线阵列单元的设计搠图219单元中频的E、H面方向图 图220单元高频厶的E、H面方向在实验中还想到采用一种变形的印刷偶极子天线，这种印刷偶极子的两个臂向下弯折，呈伞状，如图22l所示，这种天线的优点是方向图波瓣宽度很宽，与正常的印刷偶极子天线相比，正常的印刷偶极子E面的3dB波瓣宽度是70度左右，变形的印刷偶极子E面的3dB波瓣宽度是90度左右，这两种印刷偶极子将作为各选的天线单元在天线整体仿真时继续讨论。厂第三章余割平方赋形波束的综合与优化 19第三章余割平方赋形波束的综合与优化31天线的指标1天线工作频率：石MHz“以M
26、Hz2E面(垂直面)波束宽度不小于300，波束最大值指向角40100之间，100以上为余割型方向图3 副瓣电平：中频00仰角以下副瓣与主瓣之比不高于15dB，边频00仰角以下副瓣与主瓣之比不高于13dB4天线增益： 5dB5监测端耦合度：32士3dB6驻波比： 输入端驻波比o1：y(i)2sum(w*abs(fm-D_theta)+5幸abs(sll_m一01卜5abs(bw-35)目标函数是赋形区域的方向图形状，副瓣电平和波瓣宽度综合的结果。当综合方向图的副瓣小于等于01时，是第一种情况，可以看到副瓣的权值为0，即只考虑赋形区域和波瓣宽度；当综合方向图的副瓣大于O1时，是第二种情况，给副瓣电
27、平一项加权值5。在本天线的遗传算法波束赋形中，根据指标要求天线整体长度不能超过750mm，天线单元的长度是138mm，故最多只能用五个单元排阵，有十个变量，前五个是幅度，后五个是相位。首先设定一组初值，计算出目标函数值，经过选择，复制，交叉和变异，计算出适应度最大的目标函数，即目标函数最小。遗传算法结束的条件有：(1)达到遗传代数结束第三章余割平方赋形波束的综合与优化 27(2) 目标函数收敛在本天线的波束赋形中遗传算法的结束条件是遗传代数为100强制结束。353遗传算法波束赋形的结果利用遗传算法得到的方向图如图(36)和(37)所示： -一一一们 7n7-nDH昀n，Q4-n，n2nIOr一
28、一5*SDth1棚I)二_-_o一一一二一。一柚40 挪40 圆 O 40 娜d蛐?1心，i善；矗前j j f扩_矿。备赢伽dn图36计算场强方向图 图37计算场强方向图分贝表示得到的五个单元的幅度和相位如表(31)所示：表31各单元的幅度和相位单元 l 2 3 4 5幅度 057 O93 O55 O07 021相位 35 1 l 25 21 70将这组幅度和相位代入五个单元的模型中进行仿真，模型见图(38)，得到的中频方向图如图(39)所示：图38五单元阵列天线模型余割平方赋形波束阵列天线的研究051015号圆氆30-35吣图39仿真的中频的方向图可以看到用遗传算法得到的幅度、相位进行建模仿
29、真，仿真的中频方向图在赋形区满足要求，波束指向在6度左右也满足指标，但是副瓣电平值没有达到设计时的要求，这主要是由于利用遗传算法进行余割平方赋形波束综合的时候没有计入单元间的互耦影响，只是考虑了线阵的方向图，但是对五个单元整体进行仿真时单元之间是相互影响的(如图310)，可以看到印刷偶极子臂的端有电流，但是根据半波振子的设计在臂的端电流应该为零，这就会对线阵的方向图产生影响。一?l图310单元之间的互耦在本文的第二章提到，变形印刷偶极子天线单元具有更宽的3dB波瓣宽度，用变形印刷偶极子作为天线单元，天线阵列如图311所示，代入幅度和相位得到的天线方向图如图312所示。图31 I变形印刷偶极子的
30、阵列天线第三章余割平方赋形波束的综合与优化 29O5O-15兽圆描-30氆瑚O loo 150 200 250 300 350a嘲IIe312天线阵列的方向图如图312，天线阵的方向图在波束指向和赋形区满足天线要求，但是采用这种变形印刷偶极子天线单元的阵列副瓣电平过高，如图312所示，右边第-N瓣电平只有9dB，这不满足指标的要求，经过调试副瓣电平没有明显的改善，所以不采用这种变形印刷偶极子作为天线单元。36仿真优化五个印刷偶极子组合成阵列，综合考虑应该把印刷偶极子的臂长减短一些，因为如果保持原来长度，单元之间的距离会太近了，对印刷偶极子的臂长进行调节，臂长还会根据阵列的方向图及间距进行微调。调整五个单元的间距，根据天线阵列尺寸的要求，对参数进行仿真。O505兽珈氆aO氆-40图313单元间距对方向图的影响仿真优化得到单元的间距，天线的方向图比较好，整体形状达到要求，且指
