基于共形相控阵天线解析综合技术以及实行研讨

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1.1 研究背景及意义

1.1.1 共形相控阵天线的概念

阵列天线作为相控阵天线的重要表征,集中反映了相控阵天线自身的特殊性和复杂性,同时也浓缩体现了相控阵天线的优势。当各阵列单元分布于电子系统平台的表面,并使阵列表面与载体平台外形相吻合,便形成了“共形阵列天线”[1, 2](Conformal Antenna Array, CAA),简称“共形阵”,其载体外表面理论上可以是任意复杂的曲面,当然也可以是平面,因此传统的平面阵列天线可认为是共形阵的一种特例。可见“共形阵列天线”并非一种新的天线形式,只是传统平面阵列天线概念的延拓。

相控阵天线作为以阵列天线为主体的电子系统,其通过特定的馈电方式,可智能地控制和调整各阵列单元的幅度和相位,从而能够极其方便地实现信号在空间的功率合成,并且完成波束赋形和无惯性、灵活扫描,这些特点使相控阵天线广泛应用于雷达、通信、电子战、导航等领域[1, 2]。采用相控阵天线技术的电子系统称为相控阵系统,包括相控阵雷达系统、相控阵通信系统等。由于相控阵雷达可完成多种功能,具有稳定跟踪多批高速运动目标的能力,从上世纪 60 年代开始,相控阵雷达技术获得了很大发展和应用,当时主要用于解决弹道导弹预警与探测空间目标这一紧迫问题。从 20 世纪 70 年代开始,相控阵天线越来越多地应用于各种战术雷达,这主要是为了实现多种雷达功能和提高雷达数据率[3, 4]。相控阵雷达工作方式的灵活性主要取决于相控阵天线的性能,相控阵雷达的成本很大程度上取决于相控阵天线[1, 4]。因此,技术含量高、耗资比重大的相控阵天线业已成为整机系统举足轻重组成部分,甚至在一定程度上决定了系统方案。

目前,相控阵天线基本上采用理论与应用相对成熟的平面阵列天线。将“共形阵列天线”与“相控阵天线”的概念相结合,便诞生了“共形相控阵天线”这一崭新的概念。简言之,共形相控阵天线是指以共形阵为辐射器的相控阵列天线系统,它由共形阵列天线,馈电网络,移相器与波控机四部分组成。其中,共形阵列天线是共形相控阵的主要组成和功能实现单元;馈电网络和移相器为各阵元提供了幅相激励的硬件控制途径;波控机承担波束控制算法的执行和幅相控制码的输出,是共形相控阵的功能核心。因此共形相控阵是集天线阵列、微波电路、控制电路,以及波控算法于一体的复合电子平台。相比于传统的平面相控阵天线,特有的共形阵列天线设计与适合于该类天线阵的波控算法,既彰显了共形相控阵的魅力特征,同时也是其关键技术难点所在。

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第二章 微带共形天线阵列的精确数值分析

共形阵列及单位的准确电磁阐发是举行共形相控阵天线阐发与综合的底子。由第一章绪论的先容可知,由于微带天线单位具有低剖面、轻重量、低增益、易集成等特点[140-142, 165],因此非常得当于共形相控阵天线的结构。本章将针对微带共形阵列这一实用的共形天线情势,睁开对其的准确电磁阐发要领的研究。

关于微带天线及阵列的分析方法主要包括三大类:等效电路法、腔模理论法[140-142, 165]和精确数值方法。基于等效电路法、腔模理论法的解析法只适用于一些具有规则外形和电磁结构的较简单问题,因此对于具有灵活外形和复杂结构的微带共形阵列的分析而言,其具有一定局限性。随着当代计算机技术的飞速发展,数值方法得到了广泛的应用,其主要分为以有限元方法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)为代表的微分方程方法,以及以矩量法(MoM)为代表的积分方程方法。其中,由于积分方程本身就包含了辐射边界条件,因此其只需要利用 MoM 离散求解受激源所在的边界或区域,这使其非常适合求解天线辐射的开域问题[32,166]。本章将选择以基于体面结合积分方程的一类高效高精度数值方法——预修正傅里叶变换(P-FFT)法,来完成对微带共形单元及阵列的分析。

首先,本章由 Maxwell 方程组推导了理想导体面积分方程、非均匀介质体积分方程以及理想导体-介质目标的混合积分方程;其次,详细阐述了RWG基和SWG基函数的构建及其特性,并描述了其用于离散上述三类积分方程的 MoM 求解方法;再次,阐述了 P-FFT 方法的基本思想和具体实现步骤,描述了其在微带共形天线辐射问题的应用过程;最后,通过分析微带共形单元、小型阵列,验证了算法分析该类问题的准确性和高效性。

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2.1 体面积分方程的建立

对付微带天线、阵列这类电磁布局,其辐射贴片可以看作抱负导面子,而介质基底则视为介质体。其可以分别接纳面剖分单位和体剖分单位对辐射贴片和介质基底举行剖分分离,因而非常得当接纳电磁场体-面联合积分方程举行阐发。本节将起首由 Maxwell 方程组推导进场源干系,然后通过外貌等效原理和体等效原理创建起抱负导面子、介质体及体-面联合三类积分方程。

2.1.1 场源关系

Maxwell 方程组作为现代电磁理论的基本方程,其告诉我们:时变电荷或磁荷、时变电流或磁流等源可以产生时变电场和磁场[167]。这些源不一定是实际的源,也可以是数学意义上的等效源,稳态时变电磁场的 Maxwell 方程组可以表示如下:

其中,ω 为角频率,E 和H 分别表示电场强度和磁场强度,D和B 则分别表示电通密度和磁感应强度,J 和M 分别表示电流源和磁流源,eq 和mq 分别表示电荷密度和磁荷密度。E 和H 以及D和B 具有以下关系:

其中ε 和μ 分别表示介电常数和磁导率。J 和M 以及eq 和mq 的关系满足以下连续性方程:

Maxwell 方程组揭示了源和场之间的相互关系,这里引入电矢位 A 和磁矢位F[167],来方便表述J 和M 在均匀媒质中所产生的辐射场。