箭载共形相控阵天线波控系统设计分析

箭载共形相控阵天线波控系统设计分析

康德地,吴 斌,王绍山

(北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)

摘 要 为完成适用于天基测控的箭载共形相控阵天线对波束指向控制的需求,分析了箭载天线波控系统的设计要求与任务,论述了平面相控阵天线波控系统的实现方法,并根据波控系统基本原理推导出基于阵因子函数的箭载共形相控阵天线波控算法。针对运载火箭天基测控这一新需求提出了基于查表法的集中式波控设计方案,给出了系统设计方法。样机测试结果表明,该波控系统方案正确、可行,满足工程需求。

关键词 箭载天线;共形相控阵天线;波束控制系统;阵因子函数

中图分类号 TN958 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2010)07-0032-03

Design and Realization of Beam Steering System in Rocket borne

Conformal Phased Array Antennas

KANG De di,W U Bin,W ANG Shao shan

(Beijing Institute o f Tracking and Telecommunications Technology ,Bei j ing 100094,China)

Abstract To meet the requirement of rocket borne conformal phased array antennas used in space based TT&C for beam s teering,the desi gn requi rement and task of rocket borne antenna beam steering system is analyzed,the basic principle of plane phased array antenna beam steering system is introduced,and based on which a rocket borne conformal phased array antenna beam steering algorithm based on array factor function is deduced.A centralized beam steering system based on table lookup is proposed to meet the requirement of space based TT&C of carrier rocket,and the system desi gn method is given.The resul ts of prototype tes ting show that the designed beam steering system meet the requirement of rocket borne conformal phased array antenna.

Key words rocket borne antenna;conformal phased array antenna;beam steering system;array factor function

收稿日期:2010 04 20

0 引言

为实现运载火箭天基测控,要求天线波束扫描具有快速、灵活和高增益等特性,因此在运载火箭上安装与箭体共形的相控阵天线与其他形式的天线相比具有突出的优势。相控阵天线能够极其灵活、迅速地改变波束的指向,这一特性是通过相控阵天线的一个重要组成部分波束控制系统来实现的。波束控制系统是相控阵天线所特有部分,它取代了机械扫描天线中的伺服驱动系统,是相控阵天线搜索与跟踪的一个关键环节,直接影响着天线系统功能和效能的发挥。由于运载火箭在飞行过程中姿态变化大、运动速度高,在技术上和工程上对箭载共形天线波控系统都提出了较高的要求。

1 设计要求及任务

相控阵天线波束扫描的快捷、灵活和近无惯性

性能,是靠波束控制系统通过控制阵列中各个单元的相位来实现的。波束控制系统是相控阵天线的核心控制系统,对波束控制分系统的主要要求有:

能完成相控阵天线系统要求的基本功能,包括相位控制、同步控制、数据传输和对自检信号的检测和处理等;

对天线阵面各天线单元激励电流的幅度与相位沿天线孔径的分布进行控制;

满足对天线波束转换的速度要求;

尽可能地减少波束控制分系统的设备量,以降低成本。

相控阵天线波控系统一般由波束控制计算机、可编程逻辑器件、存储器件和外围辅助设备组成。相控阵天线波束控制的基本过程是:首先由中心计算机根据目标参数计算出天线波束所需指向方位,波控计算机根据中心计算机提供的指向角计算出移相器相应的相位值,然后再计算出阵面中各个阵元对应移相器所需的波束控制码,把波束控制码通过数据传输线送到阵面各单元移相器进行移相,从而使天线波束指向预定的方位。根据相邻单元之间信

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号的 空间相位差 与移相器提供的 阵内相位差 相等的原理,可以求出阵面中第(k,i)单元相对于第(0,0)单元的波控码C(k,i)。对于均匀分布平面相控阵天线,假设各相邻天线单元之间的间距在水平与垂直方向上分别为d2和d1,天线波束最大值指向以方向余弦表示为(cos x,cos y,cos z),移相值应满足:

B =2 d1cos y, B =2 d2cos z。(1)

当采用数字式移相器时,因为波控码C(k,i)为 1 时相对应的最小计算相移量为 B min= 2 /2K,K为移相器位数,所以第(k,i)单元波控码(即相移值)为:

C(k,i)=i +k 。(2)

式中, =2K

d1cos y, =

2K

d2cos z, 和 为整数码,

与波束指向相对应。

此外,天馈线的初相位误差、移相器的非线性、温度变化、工作频率变化、天线单元加工和安装等都将导致各天线单元的幅相误差,所以波控系统还必须对这些误差 ki进行补偿。通常可以根据测试数据进行补偿,以修正较大的相位误差。

相控阵天线有时采用虚位技术以节省移相器位数,但是这会引起天线副瓣电平的提高。为了抑制虚位技术引起的寄生副瓣,通常采用 随机馈相 技术进行修正,即不同波束位置时加上修正码值 ki。

综上所述,波束控制系统送到阵面第(k,i)单元的实际波控码C(k,i)为:

C(k,i)=i +k + ki+ ki。(3)箭载天线波控系统的任务就是根据波束指向计算得到阵面各个单元的波控码,通过数据线送至阵面各个单元的移相器,控制所有箭载共形相控阵天线单元移相器的状态,形成所需形状的波束,在运载火箭的飞行过程中始终指向目标卫星,以确保测控链路的连续稳定。

2 系统设计

2.1 方案分析

相控阵天线波控系统按不同分类有多种设计方案。基于流程的波控方案有集中式和分布式,基于运算方法可分为查表法和程序运算法。

集中式波控方案是由一套波束控制计算机根据波束指向、形状要求对阵面各单元点的相位、幅度进行统一运算,算完后将相位、幅度等数据分别传输至阵面各点,即将数据(波控码和指令)按严格的先后顺序送至阵面的每一行,在同一行中的不同单元仍按照严格的时间顺序传递数据。此方法的优点是硬件设备量少、控制灵活、幅相补偿简捷方便,适合于阵面单元较少的相控阵天线。但当阵面单元较多时,其计算量大、运算时间长,影响波束扫描的速度[1]。分布式波控方案是将波控运算基码送至阵面各单元,各种补偿数据置于单元存储器中,各单元分别计算本单元移相量。此方法具有运算速度较快、幅相补偿灵活、运算单元设备量较大和系统复杂等特点[2]。

查表法是预先计算得到与各个波束号相对应的相位值(即波控码),并把这些相位值形成矩阵表存储,波束控制系统通过接收到的波束号计算出第一个移相器相移值的起始地址,然后通过递增地址计数器顺序读出各个单元所对应移相器的相移值,写入到各个移相器中,实现波束指向控制。查表法通过减少计算时间的办法来提高波束扫描的速度,简化了电路设计,实现较为简单,但不够灵活。程序运算法是指用微处理器实时计算波控码的方法来实现波束控制。该方法具有灵活性强便于扩展的特点,但对运算处理要求较高[3]。

根据运载火箭的工程需求,设计了一个S波段4 6阵列的二维扫描箭载共形相控阵天线,天线单元按矩形栅格形式均匀分布在箭体部分表面。对于此箭载共形相控阵天线的波控系统,既要完成波束指向的快速变化跟踪,保证在运载火箭飞行过程中箭载天线波束始终对准目标卫星,同时还要尽可能地降低设备量,减小器件体积,以利于与箭体共形和提高系统可靠性。根据以上分析可知,对于此箭载共形相控阵天线,由于单元数量相对较少和共形的要求,应采用集中式波控方案;由于运载火箭飞行速度快,要求波束指向能够高速变化,采用查表法能够减少计算时间,提高波束扫描速度,且实现简单,因此采用基于查表法的集中式波控方案较为合理。

2.2 系统设计

2.2.1 硬件结构设计

4 6阵列的二维扫描箭载共形相控阵天线波控系统样的硬件结构及与系统其他部分的连接关系如图1所示。包括配置模块、数字处理器、存储器、天线阵面切换监测和数据传输线等。波束控制系统中数字移相器位数K=6,修正幅度的数字衰减器位数K=5,波束控制码串行传输速率为100kbit/s。

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图1 波控器硬件结构

2.2.2 系统工作流程

首先根据箭载共形相控阵天线的波控算法、移相精度要求,选定适当的量化间隔,得到天线波束扫描范围内各天线单元移相器的移相值,形成列表并将所有的计算结果存放在存储器中。由于馈线的初相位误差、移相器的非线性、温度变化、工作频率变化以及天线单元加工、安装等各种因素都将导致各天线单元的相位误差,所以还要根据测试数据算出不同状态下的相位修正值,存放于存储器中。

相控阵天线单元的幅度加权可以通过直接控制各数控衰减器来实现。箭载共形相控阵天线目前用于传输运载火箭关键遥测数据,在保证天线增益的前提下,处于发射状态时允许较大的副瓣,发射波束可以采用均匀幅度口径辐射。由于天线单元安装在圆柱曲面上,为满足均匀幅度口径辐射,在不同扫描区域内需要对各天线单元幅度进行适当的修正。根据测试数据算出幅度修正值,并存放于存储器中。

箭载终端计算机根据运载火箭的位置速度姿态信息和目标卫星位置算出天线指向角,并将波束指向信息送入波控器。相位控制码和幅度控制码以波束指向数据为地址预先存放于存储器中,波控器的数字处理器根据箭载终端计算机送出的波束指向数据,从存储器中提取并根据波束指向数据修正(包括相位控制码和幅度控制码),通过数据线将波束控制码传送给各天线单元的移相器和衰减器,使天线波束指向预定的方向。

2.3 箭载共形相控阵天线波控算法

波控系统的软件计算方法是波控系统的核心,因此首先要解决相控阵天线各单元移相器的波控码计算问题。平面相控阵天线的算法已经在前文介绍,而箭载共形相控阵天线是一个圆柱面天线阵,不能直接采用平面相控阵波控算法。通过建立一个均匀柱面相控阵天线阵列模型,利用球面中相关三角公式,求出柱面共形相控阵天线的阵因子函数,从而得到相控阵天线的扫描特性[4]。通过阵因子函数可计算得到相控阵天线不同指向时各移相器的移

相值。

图2 等间距柱面阵如图2所示,圆柱

的半径为a,高度为h。

阵元在柱面上组成M个

相同半径的圆环,圆环

的轴线与Z轴重合。圆

环间距为d,均匀相等,

d=h/M。在第m个圆

环上的阵元个数为N,阵

元间距为d n,若圆环上

的阵元间距相等,分布

范围覆盖的圆心角为

,则d n= a/N。阵

元总数为:num=NM。

首先假设阵元是各向同性的,将柱坐标的原点选在第一个圆环的圆心处,则柱面阵的阵因子为[4]: F( , )=

M

m=1

N

m

n=1

I mn e j mn e j k a2+Z2m cos 。(4)式中,I m n、 mn为位于(a, n,Z m)处阵元p激励幅度和相位; 为原点到阵元p的连线与原点到场点(R, , )的连线之间的夹角; 为原点至阵元p方向与正Z轴的夹角。在原点到场点(R, , )连线上取点A,使|OA|=|OP|,在由原点O、阵元P和点A构成的三角形中,由余弦定理有:

|PA|2=|OP|2+|OA|2-2|O A||OP|cos 。(5)在球坐标系下,由余弦定理还可得到:

|PA|2=(|OP|sin m)2+(|OA|sin )2-

2|OA|sin |OP|sin m cos( - mn)+

(|OA|cos -|OP|cos m)2。(6)式中, m为原点至阵元方向与正Z轴的夹角,由式(5)和式(6)可得:

cos =sin sin m cos( - n)+cos cos m。(7)若天线的主波束指向为( p, p),则阵元的激励相位应为:

mn=-k a2+Z2m[sin p sin m cos( p- n)+cos p cos m]= -k[a sin p cos( p- n)+Z m cos p]。

(下转第39页)

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5 结束语

电源线滤波器对于顺利通过大部分电磁兼容性实验以及保证产品的性能稳定来说都是十分重要的一类器件。目前,生产成品滤波器的厂家众多,类型丰富,不同厂商的产品水平主要体现在高频滤波特性上。因为,当滤波器的电路结构和参数确定时,其低频特性就确定了。而高频特性取决于器件的种类、电路的安装形式和使用时的安装方式。电子工程师在产品设计定型前,除了根据所需的各项指标进行筛选外,有条件的还可以进行CE102项目和

RE102项目低频段的摸底实验,根据测试结果对滤波器进行有针对性的改进,从而达到事半功倍的效果。

参考文献

[1]白同云.电磁兼容设计实践[M].北京:中国电力出版

社,2008:193-194.

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电子工业出版社,2005:240-243.

[3]杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证[M].北京:电

子工业出版社,2004:128-129.

作者简介

聂 磊 女,(1980-),中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。主要研究方向:设备电磁兼容技术。

(上接第34页)

3 测试结果分析

箭载共形相控阵天线基本参数与要求为:频率f =2250MHz ;箭轴方向阵元数m =4,箭径方向阵元数n =6;箭轴方向最大扫描角 max = 45 ,箭径方向最大扫描角 max = 50 。

首先,在微波暗室测试系统中把相控阵天线架设安装好,完成相控阵天线各个单元的幅度相位一致性标定。然后,在微波暗室测试系统中,设置不同的转台转动角度,同时相应改变相控阵天线波束控制器的输入控制,测试出相控阵天线扫描角度范围内不同波束指向的天线方向图、

增益和波束宽度。

图3 箭径方向扫描到 50

方向图

图4 箭轴方向扫描 45 方向图

经过微波暗室测量,不同扫描角时所测的天线方向图如图3和图4所示。

通过相控阵天线的方向图可以看出,天线波束在波控系统的控制下,实现了波束扫描。测试表明,箭径方向可支持波束指向变化率25 /s,箭轴方向可支持波束指向变化率2 /s 。在扫描过程中,相控阵天线方向图的形状基本保持不变,波束实际指向角度与理论指向角度基本符合,验证了波控系统设计的正确性。实际指向角度误差主要由各天线单元幅度误差、相位误差和天线单元安装误差导致,由于天线3dB 波束宽度达约20 ,波束覆盖范围可达约 60 ,设计满足工程应用的指向精度要求。

4 结束语

为满足箭载共形相控阵天线波束快速、宽角扫描,设计了一个基于查表法的集中式波束控制系统,系统结构简单、设备量较少、布相时间短,并推导出基于阵因子函数的箭载共形相控阵天线波控算法。样机实验表明,该波控系统满足设计要求,工作稳定可靠,能很好满足工程需求。

参考文献

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叶云裳.航天器天线(上)[M ].北京:中国科技出版社,2007:391-392.

作者简介

康德地 男,(1982-),北京跟踪与通信技术研究所硕士研究生,工程师。主要研究方向:航天测控。

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5G集成相控阵天线：设计,制造和测试

Received February6,2020,accepted March4,2020,date of publication March13,2020,date of current version March25,2020. Digital Object Identifier10.1109/ACCESS.2020.2980595 Research on Structurally Integrated Phased Array for Wireless Communications QING-QIANG HE1,SHUAI DING2,CHEN XING1,JUN-QUAN CHEN1,GUO-QING YANG1,AND BING-ZHONG WANG2,(Senior Member,IEEE) 1Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu610036,China 2Institute of Applied Physics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China Corresponding authors:Qing-Qiang He(heqingqiang518@https://www.wendangku.net/doc/ef6665035.html,)and Shuai Ding(uestcding@https://www.wendangku.net/doc/ef6665035.html,) This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant61601087,in part by the Fundamental Research Funds for the Central Universities under Grant ZYGX2019Z016,and in part by the Sichuan Science and Technology Program under Grant2018GZ0518and Grant2019YFG0510. ABSTRACT Structurally integrated antenna is a kind of highly integrated microwave device with a load-bearing function,and it is usually installed on the structural surface of the air,water and ground vehicles.This paper presents the design,fabrication and testing of a novel structurally integrated Ka-band active antenna for airborne5G wireless communications.The proposed antenna is mainly composed of three parts:a package layer,a control and signal process layer and a RF layer.In the RF layer,the microstrip antenna array,tile transmitting(Tx)modules,micro-channel heat sinks and a stripline feeding network are highly integrated into a functional block with a thickness of2.8mm.Electromechanical co-design methods are developed to design the active antenna array with the superstrates,and two schemes for designing micro-channel heat sinks are evaluated to obtain a uniform temperature distribution.The RF layer is fabricated by using the low-temperature co?red ceramic process,and the three layers are assembled to form the full-size antenna prototype.The mechanical and electromagnetic experiments are carried out,and the results demonstrate the feasibility of the structurally integrated active antenna for airborne wireless communications. INDEX TERMS5G communications,phased array antenna,structurally integrated active antenna,low-temperature co?red ceramic(LTCC),micro-channel heat sinks. I.INTRODUCTION Signi?cant momentum has started to build around the5G wireless communication technologies for delivering mobile experience differentiation by providing higher data rates, lower latency,and improved link robustness[1],[2].In this regard,millimeter-wave phased array antenna is a very promising solution for5G wireless communications,due to the wide bandwidths and steerable beams.The millimeter-wave phased array antenna can be applied to realize the wireless connection between the base stations and wireless terminals in a mobile vehicle such as the aircraft,high-speed train,car,and ship.Moreover,it can be continuously steered to the base stations,which could guarantee reliable connec-tions in these mobile environments[3]–[5].In addition,the multi-gigabits-per-second data speeds in5G will provide new wireless communication applications such as uncompressed video streaming,mobile distributed computing,fast large?le The associate editor coordinating the review of this manuscript and approving it for publication was Yasar Amin.transfer,and of?ce in a high-speed mobile environment[6]. However,because of the limited space in a mobile vehicle like the aircraft,the phased array antenna is usually required to have a compact size,light weight and easy installation[7]. In this condition,it is highly desirable to use structurally integrated active antennas for5G wireless communications in a mobile vehicle. Structurally integrated active antennas can embed an active planar printed antenna into the structural surface of the aircraft,high-speed train,car,ship,and armored vehi-cles[8]–[11].For example,the active microstrip antenna array is integrated into the wing or fuselage of an aircraft. Compared with the antennas mounted on the structural sur-face,structurally integrated active antenna features several advantages such as reduced weight,volume and aerodynamic drag.Structurally integrated active antenna is a kind of highly integrated antenna,which receives great attention in recent years.Antenna-on-chip(AoC)and antenna-in package(AiP) solutions are two commonly used techniques to realize the highly integrated antennas[12]–[14].Compared to AiP,AoC VOLUME8,2020 This work is licensed under a Creative Commons Attribution4.0License.For more information,see https://https://www.wendangku.net/doc/ef6665035.html,/licenses/by/4.0/52359

阵列天线分析于综合试题库

阵列天线分析与综合题 一、填空题 (1分/每空) 1. 阵列天线的分析是指在已知阵列的四个参数 单元数 、 单元的空间分布 、_ 激励幅度分布 和 激励相位分布 的情况下，确定阵列天线辐射特性。阵列天线的综合则是指在已知阵列辐射特性如 方向图 、 半功率波瓣宽度 和 副瓣电平 等的情况下确定阵列的如上四个参数。 2. 单元数为N ，间距为d 的均匀直线阵的归一化阵因子为S(u)=_____________，其中αβ+=cos kd u ，k=_______，α表示____________________，其最大指向为____________。若阵列沿x 方向排列则=x βcos ___________，若阵列沿y 方向排列则=y βcos ___________，若阵列沿z 方向排列则=z βcos _________。当N 很大时，侧射阵的方向性系数为D=__________，半功率波瓣宽带为 ()h BW =_o 51 ()Nd λ _，副瓣电平为SLL=_-13.5_dB ，波束扫描时主瓣将(13)___ 变宽___，设其最大指向m β为阵轴与射线之间的夹角，扫描时的半功率波瓣宽度为(14) 51 sin m Nd λ β_o ()，抑制栅瓣的条件为(14)_ 1|cos | m d λ β< +_；端射阵的方 向性系数为D=__________，半功率波瓣宽带为()h BW =_ o ()__。 3. 一个单元数为N ，间距为d 的均匀直线阵，其归一化阵因子的最大值为______，其副瓣电平约为_________dB ，设其最大指向m θ为阵轴与射线之间的夹角，则抑制栅瓣的条件为______________，最大指向对应的均匀递变相位m a x α＝_________。 4. 根据波束指向，均匀直线阵可分为三类，即(1)__侧射阵___、(2)__端射阵__和__扫描阵__。它们满足的关系分别是α=(3)___0_____、α=(4)__－kd ___和—

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5G阵列天线设计

5G阵列天线设计 5G——第五代无线通信技术，作为全球性的暴热话题已经是不争的事实。如众多专家所述，该技术将带来更低时延、更快速率的数据通信，并将导致互联设备的爆发式增长。 5G网络的更大带宽需求，要求必须彻底重新设计天线阵列，从单元到阵列，到馈电网络，到全模型验证和应用场景评估，都需要做完善的精细化仿真和优化设计。 通过ANSYS HFSS的帮助，只需八个步骤，就能轻松完成5G天线阵列的设计和综合验证。更方便的是，HFSS还能帮助工程师优化各项天线性能指标，如： 增益— 最强的信号辐射方向。 波束控制— 能够将信号辐射控制在某个方向上。 回波损耗— 从天线反射回来的回波能量。 旁瓣电平— 不需要的信号辐射方向。 设计流程结束后，获得的阵列天线聚焦增益更高、回波损耗及旁瓣电平最低，而且方向可控制。 第1步：通过HFSS天线工具箱（ATK）找到天线单元模板 5G天线阵列设计的第1步是通过HFSS天线工具箱（ATK）找到合适的天线单元模板。该天线单元将定义一个最终用于复制成一系列天线（天线阵列）中的相同部分。

先从天线工具箱（ATK）的库中选择一个天线类型，然后输入工作频率及天线基板属性。 数秒后，天线工具箱（ATK）将生成天线单元的初始几何结构。然后，HFSS 还可计算天线单元的增益及回波损耗等指标特性。 第2步：将天线单元代入天线阵列 有了天线单元后，工程师就可将其代入一个周期阵列中。把单元代入一系列复制设计中，有助于提高增益。 在第一步中，天线单元是自行评估的。现在可使用无限大天线阵列的周期单元重复评估这一过程。 很容易理解，阵列内其它天线的距离会影响增益、回波损耗、旁瓣回波及波束控制等特性。当然，也可通过调整天线方位来优化这些特性。 选定最佳阵列方位后，可通过定义阵因子，将无限大阵列改为理想化的有限大阵列。 本例中仿真了一个16x16的正方形天线阵列。 第3步：使用域分解方法设计有限大天线阵列

扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析

扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析 摘要：本文从单元一致性、地面反射、测量天线相位中心误差和方向图等方面分析了波束扫描法的误差来源，讨论了减小误差的方法，给出了改进后的实测方向图，结果表明，该方法原理简单、实施有效，对外场测量大尺寸阵列天线方向图具有重要意义。 【关键词】有源相控阵扫描法误差分析地面反射 1 引言 随着大规模相控阵天线的应用，在外场不具备精确坐标测量条件时，仅有测量天线情况下，波束扫描法可以准确的测量大型有源相控阵天线方向图，其测量误差主要来自单元一致性、地面反射、测量天线、相位中心等。 2 扫描法测量方向图基本原理 被测天线有N个距离为d的单元组成，如图1所示。根据相控阵天线理论，天线方向图为： 天线方向图F（θ，φ0）是指固定波束指向φ=φ0，阵列天线对不同方向电磁波响应的集合；而扫描方向图F（θ0，φ）是指连续调整波束指向，阵列天线对固定方向θ=θ0电磁波响应的集合。可以证明，不考虑单元方向图、地面反射等影响，天线方向图F（θ，φ0）与扫描方向图F（θ0，φ）

相等。 3 波束扫描法测量方向图误差分析 单元一致性主要通过单元方向图Fi（θ，φ）对扫描法测量精度产生影响，这是由于天线单元一致性差别及阵列中互耦环境的变化引起的。 地面反射通过多径效应影响扫描法测量误差。架设测量天线应满足远场条件，有条件时，在阵面前方的合适位置摆放一定高度的“吸波墙”。 几何中心与相位中心的偏移造成最大电平的偏移，影响扫描法测量的精度，如图2所示。因此，若外场不具备坐标精确测量的条件，可以优先通过扫描法对准测量天线相位中心与被测天线相位中心。 测量天线的方向性及有限的波束宽度影响扫描法在多大的角度范围内有效。为减小这一误差，测量天线方向图不宜过窄，对整个阵面单元的最大张角须控制在一个较小的范围以内。 4 实验与结论 以测量现有的一个全数字有源相控阵方向图验证了波束扫描方法的有效性，该阵列为24×1的线阵，得到接收均匀加权方向图如图3所示。结果均表明，线阵接收扫描方向图与天线实际方向图吻合良好，表明该测试方法在外场测试有较高的精度。

(重要)阵列天线

Progress In Electromagnetics Research, PIER 98, 1–13, 2009
A WIDEBAND HALF OVAL PATCH ANTENNA FOR BREAST IMAGING J. Yu ? , M. Yuan, and Q. H. Liu Department of Electrical and Computer Engineering Duke University Durham, NC 27708, USA Abstract—A simple half oval patch antenna is proposed for the active breast cancer imaging over a wide bandwidth. The antenna consists of a half oval and a trapezium, with a total length 15.1 mm and is fed by a coaxial cable. The antenna performance is simulated and measured as immersed in a dielectric matching medium. Measurement and simulation results show that it can obtain a return loss less than ?10 dB from 2.7 to 5 GHz. The scattered ?eld detection capability is also studied by simulations of two opposite placed antennas and a full antenna array on a cubic chamber. 1. INTRODUCTION Breast cancer is the most common cancer in women, but fortunately early detection and treatment can signi?cantly improve the survival rate. Ultrasound, mammography and magnetic resonance imaging (MRI) are currently used clinically for breast cancer diagnosis [1]. However, these techniques have many limitations, such as high rate of missed detections, ionizing radiation (mamography), too expensive to be widely available, and so on. Compared with conventional mammography, microwave imaging of breast tumors is a nonionizing, potentially low-cost, comfortable and safe alternative [2]. The high contrast of the dielectric property between the malignant tumor and the normal breast tissue should manifest itself in terms of lower numbers of missed detections and false positives [3, 4]. The microwave breast tumor detection also has the potential to be both sensitive and speci?c, to detect small tumors, and to be less expensive than methods such as MRI.
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Corresponding author: M. Yuan (mengqing.yuan@https://www.wendangku.net/doc/ef6665035.html,). Also with National Key Laboratory of EMC, Wuhan, Hubei 430064, China.

相控阵天线的基础理论

第二章相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。 在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。 2.1相控阵天线扫描的基本原理 2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理 线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线 性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。 图2.1是一个由N个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d。每一个天线单元的激励电流为 I i(i =0,1,2,...N -1)。每一单元辐射的电场强度与其激励电流I i成正比。天线单元的方向 图函数用fiG,：)表示。 图2.1 N单元线性相控天线阵原理图 阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为： e丸E i =K i I i fip, ) (2.1) 式中，K i为第i个天线单元辐射场强的比例常数，r i为第i个天线单元至观察点的距离， f i P,)为第i个天线单元的方向图函数，h为第i个天线单元的激励电流，可以表示成为: (2.2) 式中，3i为幅度加权系数，厶B为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。 在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：

阵列天线分析与综合复习2

阵列天线分析与综合复习 第一章 直线阵列的分析 1. 阵列天线的分析是指：在知道阵列的四个参数（单元总数，各单元的空间分布，激烈幅度和激烈相位）的情况下确定阵列的辐射特性（方向图，方向性系数，半功率波瓣宽度，副瓣电平等） 阵列天线的综合是指：在已知阵列辐射特性的情况下，确定阵列的四个参数。 2. 能导出均匀直线阵列的阵因子函数 sin(/2)()cos sin(/2) Nu S u u kd u βα= =+ (1) 平行振子直线阵，振子轴为z 轴方向，沿x 排列时，阵轴与射线之间的 夹角为cos cos sin x β?θ= ；沿y 轴排列时，cos sin sin y β?θ=。 (2) 共轴振子线阵，一般设阵轴为z 轴，此时cos cos z βθ= (3) 什么是均匀直线式侧射阵（各单元等幅同相激烈，等间距最大指向 /2θπ=） ■沿x 轴并排排列，振子轴为z 轴的半波振子直线阵，侧射时的最大指向为y 轴方向 ■沿z 轴排列的共轴振子直线阵，侧射时的最大指向在xy 平面上 ■并能导出激励幅度不均匀、间距不均匀、相位非均匀递变的直线阵阵因子 3. 均匀侧射阵和端射阵 (1) 什么是均匀侧射阵和端射阵，他们的阵因子表示是什么？ (2) 最大辐射方向及最大值。 max 0cos m S NI kd αβ=???=?? 0/2 m m αβπαβ=??±=?侧射 ＝端射 ＝kd (3) 抑制栅瓣条件：1cos m d λ β< + /2 d d λλ

线极化微带天线阵列的设计

线极化微带天线阵列的设计 摘要 微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。 本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。 关键词：微带天线天线阵方向性增益 HFSS仿真

ABSTRACT Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of la st century has launched the research of practical antenna and made the first batch of pra ctical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and techn ology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missil e and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit te chnology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communicatio n, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, t here are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poo r directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna element s in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direc tion of the antenna. Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna ar ray, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center freque ncy of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. T he gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and t he direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the corr elation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation param eters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related paramete rs of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reach ed the design requirements. Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation

有源相控阵天线G-T测量及误差分析

有源相控阵天线G/T值测量及误差分析 任冀南秦顺友陈辉吴伟伟 (中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081 ) 摘要：简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于±0.422dB。最后给出了S波段19元阵天线系统G/T测量结果，实测结果与预算结果吻合很好。 关键词：有源相控阵天线；G/T测量；误差分析 G/T Measurement and Error Analysis for Active Phased Array Antenna REN Ji-nan, QIN Shun-you, CHEN Hui, WU Wei-wei (The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China ) Abstract: In this paper, traditional measurement methods are described simply for earth station system G/T value. Measuring principle and procedure of active phased array antenna G/T value are discussed using outdoor direct far-field method, and measuring principle equation is derived. Error of G/T value measurement is analyzed, and results show that RMS error of G/T value measurement is less than or equal to ±0.422dB. Measuring result of S-band 19-unit array antenna G/T value is given, test result agrees with prediction result. Key words：active phased array antenna; G/T measurement; error analysis 引言 G/T是地面站系统的重要性能参数之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。目前G/T值传统的测量方法有间接法和直接法[1][2][3]。所谓间接法就是分别测量出天线接收增益和系统噪声温度，从而计算系统G/T值的方法；直接法又可细分为卫星载噪比法和射电源法。卫星载噪比法就是直接测量地面站天线接收卫星信号的载噪比，从而确定G/T值的方法，该方法非常适合卫星通信地面站天线系统G/T测量；射电源法就是测量地面站天线指向射电星和冷空时的Y因子，从而计算G/T值的方法。由于射电源的信号很微弱，对于小型地面站，其系统G/T很小，则很难观测到射电源的信号[4]。 对于有源相控阵天线，因其射频单元与天线单元集成在一起，其天线测试方法不同于常规的无源天线测量[5][6]。对于有源相控阵天线系统G/T 值测量，无法采用间接法测量系统G/T值；另外如果天线工作频段与卫星频段不符，且系统G/T 值较小，则采用卫星载噪比或射电源法测量其G/T值具有局限性。为此我们提出了在室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的方法。实践证明：该方法是切实可行的，在G/T值测量中值得推广和应用。 1 测量原理和方法 图1所示为室外远场法测量有源相控阵天线G/T值原理方框图。 图1 室外远场法测量相控阵天线G/T值原理方框图图1中，R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ（D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长）。由功率传输方程可得：频谱分析仪测量的载波功率C为[7]： RF P net S t L L GG G P C （1) 式中： 相控阵天线 标准天线 R

阵列天线分析与综合习题

阵列天线分析与综合习题 第一章 直线阵列的分析 1. 分析由五个各向同性单元组成的均匀线阵，其间距d=2λ/3。求(a) 主瓣最大值；(b) 零点位置；(c) 副瓣位置和相对电平；(d) 方向系数；(e) d 趋于零时的方向系数。 2. 有一单元数目N=100，单元间距d=λ/2的均匀线阵，在(a) 侧射；(b) 端射；(c) 主瓣最大值发生在θ=45o时，求主瓣宽度和第一副瓣电平。 3. 有一由N 个各向同性单元组成的间距为 d 的均匀侧射阵，当kd<<1，Nkd>>1 时，证明其方向系数D =2Nd/λ。提示： 2(sin /)x x dx π∞ ?∞=∫ 。 4. 设有十个各向同性辐射元沿Z 轴均匀排列，d=λ/4，等幅激励。当它们组成(a) 侧射阵；(b) 普通端射阵；(c) 满足汉森—伍德亚德条件的强方向性端射阵时，求相邻单元间相位差、第一零点波瓣宽度、半功率波瓣宽度、第一副瓣相对电平和方向系数。 5. 利用有限Z 变换求出均匀线阵的阵因子，并利用y=Z+Z -1的变量置换分析均匀阵功率方向图的特性。 6. 若有五个各向同性辐射元沿Z 轴以间距d 均匀排列，各单元均同相激励，激励幅度包络函数为[]()1sin /(1)I N d ξπξ=+?。试分别用Z 变换法和直接相加法导出阵因子S(u)，并计算S(u) 在0