模式匹配法分析圆波导有限相控阵天线

• 作 者: 罗成斌
• 机 构: 航天科工集团第二研究院
• 出 处: 中国航天第二研究院 航天科工集团第二研究院
• 发表日期: 2009年期

本论文采用模式匹配法对圆波导有限相控阵天线进行了详细分析。文中首先介绍了研究圆波导有限阵列的意义,相控阵天线的基本原理及构成；然后,采用模匹配法,结合广义散射矩阵(GSM)对圆波导有限阵进行了严格的数学建模,详细分析了单元间的互耦作用及波导台阶对阵列匹配特性的影响；并且,利用周期排列的有限阵中导纳矩阵所具有的block-toeplitz属性,化简了阵列天线的数值分析过程:最后,研究了波束扫描时,阵中单元的匹配特性随扫描角度的变化情况,并从有限阵的角度,对无限阵中的“盲点”现象进行了分析。　　
本论文的主要成果和结论如下:　　
1.系统阐述了采用模式匹配法分析圆波导单元有限相控阵天线的过程。并用Fortran90语言实现了相关算法,程序计算结果与文献中公开发表的实验数据和商用电磁仿真软件HFSS的仿真结果进行了比较,吻合性良好,验证了算法的有效性。　　
2.详细研究了圆波导单元间的互耦效应。其中包括:互耦随圆波导单元间距的变化情况；以及互耦受圆波导主极化方向的影响。这为工程中分析圆波导阵列天线的互耦作用提供了一定经验。　　
3.对圆波导加载台阶变换段的匹配方法进行了研究。其中分析了:波导台阶对孤立圆波导单元匹配特性的改善情况；以及组阵后,单元的匹配特性受互耦的影响情况。这对工程中设计圆波导单元阵列天线的匹配结构具有实际应用价值。　　
4.在公式推导中,发现周期排列的圆波导单元有限阵列中,导纳矩阵具有block-toeplitz特性。程序编制中,利用这一特性,大大缩短了矩阵的生成时间,提高了程序的计算效率,实现了对单元数目较多(几百个)的圆波导有限阵列天线的快速分析。　　
5.研究了波束扫描时,有限阵中单元的有源反射系数随扫描角度的变化情况。计算结果表明,波束扫描时,边缘单元与中心单元具有完全不同的特性；当阵列电尺寸在10λ以上时,有限阵的结果可反映出无限阵的“盲点”现象。这为圆波导相控阵天线的设计,提供了一定依据。