【正文】 用于空間功率合成的拋物曲面天線的研究畢業(yè)論文 電磁場與微波技術(shù)摘 要在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電子戰(zhàn)是一條非常重要的戰(zhàn)線，它利用電磁波輻射波束破壞敵方電子武器裝備的同時，保障己方武器裝備效能的正常發(fā)揮而采取的軍事行動。這就需要輸出很高的輻射功率干擾或覆蓋敵方的通信信號，并且不能影響己方的作戰(zhàn)系統(tǒng)正常工作?？臻g功率合成技術(shù)把多個功率源的信號疊加起來，形成高功率的微波信號，它采用大直徑波束或波導(dǎo)模式與有源器件直接耦合，實(shí)現(xiàn)多單元器件功率直接合成。由于所有單元器件并行工作，系統(tǒng)損耗只取決于傳輸模式與有源器件的耦合性能，與單元器件個數(shù)無關(guān)，有效的解決了電路合成效率隨單元個數(shù)增加而下降的問題，是產(chǎn)生大功率電磁波輻射的有效途徑。本文基于拋物柱面空間功率合成天線提出了一種新型的雙焦拋物曲面反射面天線，并根據(jù)惠更斯—菲涅爾原理對饋源相位進(jìn)行配置，以達(dá)到讓喇叭饋源陣列輻射出的電磁波在反射面口徑面上同相合成的目的。同時研究了拋物曲面天線各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響，給出了獲得最佳性能時天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文還對拋物曲面天線的波束掃描特性進(jìn)行了研究，其中包括了偏焦電掃描和機(jī)械掃描的特性。根據(jù)研究結(jié)果，分析了掃描方式具體的運(yùn)用環(huán)境。本文還對拋物曲面天線進(jìn)行了實(shí)際測量，跟同樣高度的拋物柱面天線進(jìn)行了對比。測試結(jié)果顯示，采用拋物曲面天線比拋物柱面的增益大了3 dB，這驗(yàn)證了拋物曲面天線的優(yōu)越性以及可行性，對工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵字：空間功率合成；物理光學(xué)法；拋物曲面天線，波束掃描AbstractElectronic warfare plays a significant role in modern warfare. Making use of electromagnetic wave to radiate electron beam, it can not only destroy the electronic weapons and equipment of the adversary but also safeguard the normal performance of one’s own weapons and equipment. To fulfill this task, it is imperative for electronic warfare to output very high radiant power to interfere with or cover the adversary’s munication signals without influencing the normal functioning of one’s own warfare system.The technique of spatial power bining superposes signals with different power sources together to form highpower microwave signal. It utilizes largediameter beams or waveguide modes to directly couple with active devices in order to realize the direct synthesis of power of multi singleunit ponents. Since all multi singleunit ponents work in parallel, the system loss only relies on the coupling performance of transmission modes and active devices and has nothing to do with the number of singleunit ponents, which can effectively solve the problem that the synthetic efficiency of circuit declines along with the increase of the number of singleunit ponents. It appears to be an effective way to produce highpower electromagnetic wave radiation.This dissertation proposed a novel dualfocus parabolic curved reflector antenna on the basis of parabolic cylindrical spatial power bining antenna, and then configured the feed phase according to HuygensFresnel principle in order to ensure the electromagnetic wave radiated by the horn feed array can be inphase bination on the aperture of the reflector as fully as possible . Meanwhile, the paper studied the relationship between each parameters of the parabolic curved antenna and the antenna performance and finally came to the structure parameter for the best performance. The beam scanning characteristics including offset electric beam scanning and mechanical beam scanning have been researched as well in the dissertation. The application circumstance for the beam scanning was analyzed according to the study.The measured results have been given in this dissertation pared with the parabolic cylindrical antenna with the height. When used the parabolic curved antenna, the antenna gain is 3 dB larger than that used the parabolic cylindrical antenna, which validated the superiority and feasibility of the parabolic curved antenna. The research is important to engineering practice.Keywords: spatial power bining。 physical optics。 parabolic curved antenna。 beam scanning目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 課題背景和意義 1 空間功率合成技術(shù)的研究現(xiàn)狀 2 國際研究現(xiàn)狀 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 小結(jié) 5 本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 7第二章 基礎(chǔ)知識 9 9 惠更斯——費(fèi)聶耳原理 9 物理光學(xué)法 10 反射面天線 11 11 12 喇叭天線 14 陣列天線理論 15 空間功率合成天線的組成和原理 16 天線增益因子 17 等效各向同性輻射功率 18 本章小結(jié) 18第三章 16路喇叭偏饋拋物曲面天線的結(jié)構(gòu)和性能研究 19 引言 19 16路喇叭偏饋拋物柱面天線 19 拋物柱面天線的結(jié)構(gòu)和性能 19 拋物柱面天線的優(yōu)化方案 22 16路喇叭偏饋拋物曲面天線 22 拋物曲面天線的結(jié)構(gòu) 22 拋物曲面天線與饋源的相位配置 24 三種拋物曲面天線的性能比較 25 拋物曲面與拋物柱面性能對比 27 拋物曲面天線的參數(shù)研究 28 垂直方向拋物線焦距對天線性能的影響 28 垂直方向拋物線張角對天線性能的影響 30 饋源陣列指向角對天線性能的影響 32 拋物曲面天線最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能 33 縱向偏焦特性 36 本章小結(jié) 38第四章 16路喇叭偏饋拋物曲面天線的波束掃描 39 引言 39 橫向偏焦電掃描 39 機(jī)械掃描 42 垂直機(jī)械掃描 42 水平機(jī)械掃描 46 本章小結(jié) 49第五章 8路喇叭偏饋拋物曲面天線的實(shí)測 50 引言 50 8路喇叭饋源拋物曲面天線 50 8路喇叭饋源拋物曲面天線的結(jié)構(gòu)和性能 50 8路喇叭饋源拋物曲面天線的電掃描特性 53 實(shí)測方案 55 拋物柱面天線和拋物曲面天線的實(shí)測 58 拋物柱面天線的實(shí)測 58 拋物曲面天線的實(shí)測 61 本章小結(jié) 65結(jié)論 66參考文獻(xiàn) 67攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果 70致 謝 71V參考文獻(xiàn)第一章 緒論 課題背景和意義在電子對抗微波毫米波系統(tǒng)中，往往需要把大功率的定向電磁輻射波束輻射到作戰(zhàn)空間[1]，傳遞己方的有用信息或者干擾同頻的敵方信息，破壞敵方的通信和偵察系統(tǒng)的正常工作。要有效地破壞敵方的信息傳遞，需要輸出很高的輻射功率干擾或覆蓋敵方的通信信號，并且不能影響己方作戰(zhàn)系統(tǒng)的正常工作。定向電磁波束輻射功率的提高就意味著對抗系統(tǒng)具有更大的作用半徑，更強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。因此，大功率的電磁波束輻射對軍用微波電子對抗系統(tǒng)來說意義重大。通常，我們采用功率合成的方法，把多路較低功率的信號合成為所需要的大功率輻射，方法有兩種：一是采用基于電路或波導(dǎo)的功率合成技術(shù)，將多路信號利用電路或波導(dǎo)的合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，再通過天線輻射出去，但由于合成網(wǎng)絡(luò)本身存在損耗，會降低功率合成的效率；二是基于自由空間功率合成技術(shù)，通過采用空間功率合成天線，多路功率信號直接通過天線單元輻射到自由空間去，通過控制各路輻射的相位，直接在自由空間合成定向輻射的大功率電磁波束，由于沒有了合成網(wǎng)絡(luò)的損耗，合成效率較高。是產(chǎn)生大功率電磁波輻射的有效途徑[2,3,4,5]?？臻g功率合成天線的主要指標(biāo)是等效全向輻射功率ERIP，為了提高ERIP，除了增加功率合成的功放路數(shù)外，另外一個有效的辦法是增加天線的增益。要提高天線的增益，就必須提高天線的口徑。在微波波段，空間功率合成天線可以采用由多個喇叭天線組成的等幅同相饋電的線型陣列來進(jìn)行空間功率合成，用拋物柱面作為反射面來增大天線的口徑以提高天線的增益。放在拋物柱面焦線上喇叭天線陣列輻射出來的電磁波經(jīng)拋物柱面反射后在空間合成高功率的尖銳波束。為了進(jìn)一步提高天線的增益，就必須進(jìn)一步提高拋物柱面的長度。然而，拋物柱面天線要求饋源陣列的長度與拋物柱面的長度相同，否則將由于拋物柱面得不到充分的照射而無法提高天線的增益。增大饋源陣列的長度需要更多的喇叭單元或者更大的陣列單元間距。更多的喇叭單元意味著更多的功放路數(shù)，這會大幅度提高系統(tǒng)的成本；如果增大陣元間距的話，由天線陣列理論可知，當(dāng)陣元間距大于1個波長時，天線的方向性圖會出現(xiàn)柵瓣，使功率在不需要的方向輻射[6]，這一方面浪費(fèi)能量，降低功率合成效率，另一方面會產(chǎn)生不必要的干擾。由于這個因素的限制，現(xiàn)有技術(shù)無法得到高增益、窄波束的大功率輻射。為了解決這一問題，對于線陣空間功率合成天線來說，就必須改進(jìn)反射面和饋源陣列的設(shè)計(jì)。本課題提出了一種新型的拋物曲面功率合成空間天線，這種天線的反射面是用一條拋物線沿著另一條拋物線正交走過所形成的一個雙焦拋物反射面，饋源陣列是采用偏饋形式的拋物線陣列，每個喇叭天線的相位根據(jù)惠更斯——菲聶耳原理進(jìn)行設(shè)置，每個喇叭天線在最大輻射方向上達(dá)到最大的同相合成。饋源陣列進(jìn)行空間功率合成，產(chǎn)生的輻射照射雙焦拋物反射面，拋物曲面反射面天線反射電磁波形成需要的波束以提高天線增益。研究的數(shù)據(jù)和結(jié)果可以也為相關(guān)的微波毫米波雷達(dá)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。 空間功率合成技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國際研究現(xiàn)狀1981年Durkin [7]，他在IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)術(shù)年會上報(bào)導(dǎo)了他的研究成果。他研究了應(yīng)用空間功率合成完成的35GHz有源孔徑。合成方案采用32個輻射元件，由4個注入鎖定脈沖IMPATT振蕩器激勵，組成8毫米波段的有源陣列。[8]。他采用兩個錐形介質(zhì)天線將信號輸入諧振腔，信號在諧振腔中形成振蕩，并用一路錐形介質(zhì)天線將信號耦合輸出，實(shí)現(xiàn)功率合成。諧振腔由兩個表面高度拋光的反射面組成。在60GHz處達(dá)到了54％的合成效率。此后，美、日、俄、中等國學(xué)者相繼開展了這方面的研究，提出了許多新結(jié)構(gòu)和新方法。將毫米波器件通過不同的結(jié)構(gòu)形式安置于準(zhǔn)光腔內(nèi)進(jìn)行功率合成，在滿足準(zhǔn)光腔穩(wěn)定的條件下，可將準(zhǔn)光腔腔面設(shè)計(jì)成足夠大，以便實(shí)現(xiàn)多器件的功率合成同。[9]，當(dāng)時在X波段采用基于標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的24的MMIC功放陣列，合成效率達(dá)68％，并具有良好的工作帶寬。、[10,11]，利用天線的輻射和互耦特性，將各個毫米波器件的輻射功率在自由空間內(nèi)進(jìn)行功率合成。自由空間波功率合成其實(shí)是準(zhǔn)光功率合成的一種變形。圖11 a）準(zhǔn)光率空間功率合成 b）波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成 c）自由空間功率合成Navarro [12]，微帶貼片陣列體積較小，加工簡單，方便與有源電路的集成，但帶寬較窄。當(dāng)帶寬要求較高時，可用帶寬較寬的喇叭陣列天線實(shí)現(xiàn)[13,14]。1992年，RahmatSamii Y, Duan D, Giri D等提出了一種喇叭饋源偏饋拋物面或偏饋雙