论文部分内容阅读
通过移相器来控制多个在空间按照一定规律排列的辐射单元相位分布的阵列天线称为相控阵天线,其能够实现天线波束指向和波束形状的快速改变。随着科技的发展,作为重要信息获取装备的雷达也已开始由军用转向于民用,气象雷达系统更成为近年来的热门研究领域之一。而为了克服现有气象雷达天线因机械扫描所带来的不便,应用于气象雷达系统的相控阵天线得到了飞速发展。本文研究的主要内容就是作为气象雷达系统主要部件之一的天线,根据某单位提出的不同技术指标设计了两款应用于气象雷达系统的相控阵天线,通过串联馈电网络、功率分配器、移相器的组合来控制天线使其具有自适应波束扫描能力,设计出的相控阵天线各项性能均满足指标要求。本文研究设计的内容主要包含以下几个方面:首先,介绍了文中涉及到的天线相关理论,特别是印刷偶极子天线与阵列天线理论;叙述了相控阵馈电系统的基本概念,较为详细的阐述了串联馈电网络与Wilkinson功分器的设计方法;指出了相控阵天线设计的几个技术难点,给出天线的设计思路与计算依据。其次,对2米相控阵气象雷达天线的技术指标进行分析,提出总体设计方案,并使用Ansys HFSS软件逐步进行仿真验证,包括对平面印刷偶极子、偶极子直线阵及其中心馈串联馈电网络、矩形平面阵以及多种不同功分比的Wilkinson功分器的仿真。给出了各阶段的仿真结果,天线整体仿真增益达到27dBi以上,第一副瓣小于-25dB,3dB波束宽度小于9°,仿真结果验证了方案的可行性。随后根据所设计的天线模型对实物进行加工制作,将天线各项实测性能结果与仿真结果进行比较,实测得出的最大增益大于24dBi,通过控制单元相位能够实现主波束±15°的偏转,波束指向精度小于0.5°,实测结果和仿真结果相吻合。最后,根据不同的技术指标采用类似的方案设计了另一款更高性能的4米相控阵气象雷达天线,天线单元继续采用平面印刷偶极子,馈电网络采用不对称的端馈串联馈电网络以降低设计的复杂性,根据不同的功分比对Wilkinson功分器进行了进一步的优化,同样给出各阶段的仿真结果。最终得出的天线整体仿真性能结果显示最大增益达到33dBi以上,3dB波束宽度小于4°,通过设置单元激励的幅度、相位大小分布来实现波束±15°的偏转。结果验证了该方案对于设计4米相控阵气象雷达天线的可行性。