平面反射陣天線作為新型的高增益天線,結(jié)合了經(jīng)典反射面天線和陣列天線的優(yōu)點(diǎn),可以通過合理設(shè)計(jì)陣列平面上各個獨(dú)立單元的反射相位來實(shí)現(xiàn)特定形狀或指向的遠(yuǎn)場波束。反射陣天線因其剖面低、重量輕、增益高、成本低、易集成等優(yōu)勢在近些年得到了快速發(fā)展,發(fā)展出了多種多樣的天線形式,具有廣闊的應(yīng)用前景。論文針對平面反射陣天線在寬帶拓展、多頻段優(yōu)化、賦形優(yōu)化、太空環(huán)境下形變誤差及工程應(yīng)用等幾個方面存在的問題進(jìn)行了研究,主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.平面反射陣天線帶寬拓展研究。針對單層平面微帶反射陣天線在寬帶工作方面的劣勢,提出了兩種新型的寬帶反射陣單元——開槽圓形貼片單元和四臂方形螺旋單元。兩種單元的反射相位均超過了360度,而且相位曲線的線性度較好。據(jù)此分別設(shè)計(jì)了基于開槽圓形貼片單元的平面微帶反射陣天線和基于四臂方形螺旋單元的平面微帶反射陣天線,前者的實(shí)測1.5-dB增益帶寬達(dá)到了24%,后者的實(shí)測1-dB增益帶寬可達(dá)34.7%,在單層平面反射陣天線中處于領(lǐng)先水平。2.口徑復(fù)用平面反射陣天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。多頻段反射陣天線可以讓其口徑同時工作在不同的頻段,可以實(shí)現(xiàn)口徑的復(fù)用。為提高口徑復(fù)用率,可以增加反射陣天線的頻段。首次在三頻段口徑復(fù)用平面反射陣天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入了多參數(shù)掃描法,設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)嵌套的三方環(huán)貼片單元,并對多個獨(dú)立參數(shù)如方環(huán)貼片的邊長、環(huán)寬、環(huán)間距、旋轉(zhuǎn)角度等的不同組合進(jìn)行仿真,得到了單元在10 GHz、15 GHz和20 GHz處的反射相位組合與多個參數(shù)尺寸的對應(yīng)關(guān)系。利用粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)對反射陣天線的整體相位誤差和單元的排布進(jìn)行了優(yōu)化,并設(shè)計(jì)了中等口徑的單層微帶平面反射陣天線。加工測試結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合,三頻段平面反射陣天線可以正常工作在X、Ku和K波段,實(shí)現(xiàn)了陣列口徑平面的多頻復(fù)用。和其他三頻段反射陣天線相比,該設(shè)計(jì)較好地平衡了三個不同頻段的性能,在3-dB增益帶寬和口徑效率方面有較大優(yōu)勢。該口徑復(fù)用平面反射陣天線的設(shè)計(jì)流程可以推廣到其他多頻口徑復(fù)用反射陣天線的設(shè)計(jì)中去。3.賦形平面反射陣天線的系統(tǒng)優(yōu)化方法研究。從天線要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)波束出發(fā),利用生物地理學(xué)優(yōu)化算法(Biogeography-based Optimization,BBO)優(yōu)化設(shè)計(jì)了基于中國大陸地形的單層賦形平面反射陣天線,和PSO、遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)等優(yōu)化算法相比,BBO算法顯著減少了收斂的迭代次數(shù)。利用二維離散IFFT和FFT算法不斷交替迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)了對稱和非對稱的四波束單層賦形平面反射陣天線。MATLAB計(jì)算得到的方向圖和HFSS仿真的方向圖基本一致,驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性。4.平面反射陣天線在工程應(yīng)用方面的探索研究。對平面反射陣天線的誤差及其影響進(jìn)行了研究,首先從理論上分析了反射陣天線不同位置的單元對反射相位誤差貢獻(xiàn)的不同權(quán)重,然后對平面反射陣天線整體在太空環(huán)境工作可能出現(xiàn)的誤差對輻射特性的影響進(jìn)行了分析,提出了相關(guān)的改進(jìn)措施。通過改進(jìn)已有的星載反射陣單元結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了工作于太陽能電池板表面的透明四鑰匙單元和基于方形螺旋結(jié)構(gòu)的全金屬反射陣單元,并設(shè)計(jì)了兩款可以工作在太空環(huán)境中的平面反射陣天線——透明反射陣天線和全金屬反射陣天線,兩款天線的仿真結(jié)果較為理想。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN820
【部分圖文】：

隙天線、陣列天線、拋物面天線等[1]。在星載天線領(lǐng)域，高增益天線如陣列天線[2]和拋物反射面天線[3]一直占據(jù)著重要地位，其典型的天線形式如圖 1.1所示。金屬波導(dǎo)縫隙陣天線[4,5]雖然可以較為容易的實(shí)現(xiàn)特定波束指向和波束賦形，而且可以依靠增大自身尺寸來實(shí)現(xiàn)高增益，但是卻不可避免地帶來了重量問題，特別是在空間的綜合探測需要越來越多有效載荷來對地球的水環(huán)境、大氣天氣等進(jìn)行觀測的情況下，天線的重量問題更加嚴(yán)峻，嚴(yán)重制約著高精度探測的發(fā)展。此外，普通的陣列天線需要較為復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，特別是相控陣天線，需要消耗大量的移相單元以及 T/R組件，加工制造成本較高。反射面天線選取了拋物面的部分結(jié)構(gòu)作為反射結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為簡單，有較好的波束指向，饋電方式較為簡單。但是當(dāng)頻率較高時，對曲面的加工精度提出了較高的要求[6]。另外，如果要實(shí)現(xiàn)波束賦形，不規(guī)則的反射面加工更為復(fù)雜，成本較高。結(jié)合了陣列天線和反射面天線的優(yōu)點(diǎn)的反射陣天線[7,8]應(yīng)運(yùn)而生。

便于大規(guī)模加工推廣；單元設(shè)計(jì)靈活，可以實(shí)現(xiàn)多波束、波束賦形、波束掃描等多種功能。反射陣天線在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀半個多世紀(jì)以來，反射陣天線的發(fā)展經(jīng)歷了概念提出、緩慢發(fā)展、快速發(fā)展等幾個階段。20世紀(jì)六十年代處于反射陣天線的概念提出階段。1963年，Berry、 Malech 和 Kennedy三人首次提出了反射陣 (Reflectarray)[7]的概念，他們從反射面天線的簡潔性和陣列天線的功能多樣性出發(fā)，采用一端短路、另一端開口的金屬波導(dǎo)作為天線的調(diào)節(jié)單元，通過改變波導(dǎo)的長度來影響單元的表面阻抗，從而調(diào)節(jié)從饋源喇叭發(fā)出的入射電磁波的相位，整個金屬波導(dǎo)的開口平面就等效為了平面反射陣，其原型及測試場景如圖 1.2 所示。由于當(dāng)時廣泛應(yīng)用的天線頻段較低，大規(guī)模的金屬波導(dǎo)陣列體積較為龐大，占用空間較多，重量較重，應(yīng)用極為不便，因而并未在提出時就得到廣泛重視。

圖 1.3 螺旋相位反射陣[8]Figure 1.3 Spiraphase reflectarray年代，隨著微帶反射陣天線的大量了多種多樣的天線類型，主要實(shí)現(xiàn)包括一些全金屬反射陣[9-21]，主要形反射陣、可重構(gòu)反射陣[22-32]、折的發(fā)展歷程線具有很多其他天線無法比擬的優(yōu)工作帶寬通常在 3% 到 5% 之間，微了其實(shí)際應(yīng)用范圍。由于反射陣天傳統(tǒng)的 S 參數(shù)帶寬僅僅反映了饋源性。因此，寬帶反射陣選取了新的

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉國青;阮劍華;羅文波;白剛;;航天器高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)熱變形分析與試驗(yàn)驗(yàn)證方法研究[J];航天器工程;2014年02期

2 石力;鄧云凱;孫慧峰;;基于FFT的大型平面陣列方向圖的綜合方法[J];系統(tǒng)工程與電子技術(shù);2011年11期

3 李建新;徐慧;胡明春;邵江達(dá);;基于FFT的陣列方向圖快速計(jì)算[J];微波學(xué)報;2007年01期

本文編號：2821936