要 在信息化戰(zhàn)爭中，高功率微波武器需要產(chǎn)生高功率的電磁波束。由于單個微波功率源的功率容量較小，需要采用功率合成技術(shù)把多個微波功率源的信號疊加起來，以形成高功率的電磁波束?？臻g功率合成技術(shù)直接在自由空間合成多路微波信號，避免了電路功率合成技術(shù)中合成網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗，有更高的功率合成效率，而且合成效率基本與微波功率源的數(shù)量無關(guān)。陣饋反射面天線以天線陣列為饋源實現(xiàn)空間功率合成，由反射面天線進行波束成形以實現(xiàn)所需的增益、副瓣和波束寬度，能大大提高空間功率合成天線的增益，因此具有巨大的發(fā)展前景。 這種新型反射面空間功率合成天線的饋源為陣列天線，其尺寸較大，已不能看成為點源，經(jīng)典的反射面天線設(shè)計理論與技術(shù)難以應(yīng)用，有必要發(fā)展新的反射面天線理論來處理。本文對此進行研究，提出了兩種新型的陣饋反射面天線的設(shè)計方法。一種是基于曲率矩陣原理設(shè)計象散反射面以匹配大尺寸饋源陣列輻射的象散波，并研究了饋源陣列各陣元的相位配置以及入射角的修正方法，以達(dá)到讓大尺寸饋源陣列輻射的電磁波束在反射面口徑面上同相合成的目的。另一種是基于 面形狀修改技術(shù)，通過遺傳算法改變 面控制頂點的位置來實現(xiàn)反射面形狀的優(yōu)化。本文同時研究了反射面口徑邊界形狀對口徑效率的影響，給出了獲得最佳口徑效率時天線的口徑邊界形狀。本文還對反射面天線的波束掃 描特性進行了研究，其中包 括了機械掃描和電掃描的特性，得到了一系列的波束掃描特性曲線。最后，本文研究了反射面的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計以及簡單介紹了其它射頻器件，并對反射面天線進行了實際加工制作、安裝和測試。測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，這驗證了本文提出的反射面設(shè)計方法的優(yōu)越性以及可行性。本文研究得到的數(shù)據(jù)和結(jié)果為新型空間功率合成天線設(shè)計提供理論和技術(shù)支持，對工程實踐具有重要的指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵字： 空間功率合成；曲率矩陣； 徑邊界；波束掃描 n to of a is in to a a of be in a of in to do of as by of of it of is an of is so it be as a to so it is to of is an to by on of by in is by to of of on is is a of of an of F of of in of a 錄 摘 要 . I. 一章 緒論 . 1題背景及意義 . 1間功率合成天線國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 1文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 . 6第二章 傳統(tǒng)反射面天線設(shè)計方法 . 8轉(zhuǎn)拋物面天線 . 8轉(zhuǎn)拋物面天線的幾何特性和工作原理 . 8轉(zhuǎn)拋物面天線的分類 . 9轉(zhuǎn)拋物面天線的饋源 . 11轉(zhuǎn)拋物面天線的性能參數(shù) . 11物柱面天線 . 12饋偏置拋物面天線 . 14章小結(jié) . 16第三章 基于曲率矩陣原理的陣饋反射面天線 . 17何光學(xué)射線場的曲率矩陣表示式 . 17面上的曲率矩陣 . 17陣面和物體表面的曲率矩陣 . 18射波、反射波以及反射面的曲率矩陣的關(guān)系 . 20于曲率矩陣原理的陣饋反射面天線的設(shè)計方法 . 22源陣列的相位配置 . 22射面的設(shè)計 . 23射角的修正 . 24率矩陣原理設(shè)計陣饋反射面天線的方法和步驟 . 25陣反射面天線設(shè)計實例 . 26工程空間功率合成天線的設(shè)計指標(biāo) . 27陣反射面天線的設(shè)計與仿真 . 27章小結(jié) . 32 于 術(shù)的陣饋反射面天線 . 33模及形變控制技術(shù) . 33線 . 33面 . 34線曲面的形狀修改 . 35傳算法 . 35傳算法的基本原理 . 35傳算法的一般步驟 . 36于 陣饋反射面天線的設(shè)計方法與實例仿真 . 37于 陣饋反射面天線的設(shè)計方法 . 37 3 階 面建模的反射面天線優(yōu)化設(shè)計 . 38 4 階 面建模的反射面天線優(yōu)化設(shè)計 . 41 3 階和 4 4 階 面建模的反射面天線性能對比 . 45章小結(jié) . 45第五章 反射面口徑邊界的優(yōu)化 . 46射面天線的口徑效率 . 46射面口徑邊界的形狀 . 48角矩形口徑邊界 . 48二次方程口徑邊界 . 50優(yōu)口徑邊界形狀 . 53章小結(jié) . 54第六章 陣饋反射面天線的波束掃描特性 . 55械掃描 . 55直機械掃描 . 55平機械掃描 . 58掃描 . 61章小結(jié) . 64第七章 陣饋反射面天線的實測 . 65饋系統(tǒng)各單元 . 65 面扇形喇叭 . 65 分八功率分配器 . 65相器 . 66頻電纜 . 66射面的機械結(jié)構(gòu) . 67體反射面天線的架構(gòu) . 68測結(jié)果 . 69章小結(jié) . 72總結(jié)與展望 . 73參考文獻 . 75攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果 . 79致 謝 . 80第一章 緒論 1第一章 緒論 題背景及意義 未來戰(zhàn)爭將是高度信息化戰(zhàn)爭，是敵我雙方在信息領(lǐng)域中爭奪信息控制權(quán)的戰(zhàn)爭，奪取信息優(yōu)勢成為戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素。高功率微波武器是將高功率微波源產(chǎn)生的電磁波束通過高增益的天線系統(tǒng)輻射到作戰(zhàn)空間，以極高的強度照射目標(biāo)，毀壞和干擾敵方武器系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和通信鏈路中的關(guān)鍵電子部件的定向能武器1。這種武器輻射的電磁脈沖頻率在 1 300圍內(nèi)，輸出脈沖峰值功率在 100上。高功率微波武器幾乎可以對付所有現(xiàn)代最先進的武器，如雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、計算機軍用電子設(shè)備、武器控制及制導(dǎo)系統(tǒng)等，因而成為信息化戰(zhàn)爭中最有效的攻擊手段之一2。 高功率微波武器需要輸出大功率的電磁波束3。由于單個微波功率源的輸出功率和微波器件的功率容量有限，難以滿足高功率微波武器對發(fā)射電磁波束的功率要求4。為了獲得足夠的大的功率輸出，需要采用功率合成技術(shù)，把多個微波功率源的信號疊加起來，形成高功率的電磁波束。而在增加合成功率的微波功率源路數(shù)的基礎(chǔ)上同時增加天線的增益，不僅可以提高天線 的輸出功率，還可以提高天 線的等效全向輻射功率。 陣饋反射面天線5天線陣列作為饋源，利用了天線的輻射和互耦特性，將各個微波功率源的輻射功率在自由空間內(nèi)進行功率合成，在此基礎(chǔ)上利用反射面進行波束成形，可以提高空間功率合成天線的增益，提高等效全向輻射功率，同時可以使功率合成和波束成形獨立設(shè)計，因而具有較大的發(fā)展前景。這種新型的反射面空間功率合成天線的饋源為大尺寸陣列天線，已不能看成為點源，傳統(tǒng)的反射面天線（如旋轉(zhuǎn)拋物面和拋物柱面）設(shè)計理論與技術(shù)難以適用，有必要發(fā)展新的反射面天線設(shè)計理論。 綜上所述，開展大尺寸饋源陣列結(jié)合反射面天線的空間功率合成技術(shù)的研究意義重大。本論文的研究內(nèi)容正是在上述背景下提出來的，主要對以大型陣列為饋源的反射面空間功率合成天線進行研究， 為新型空間功率合成天線的 設(shè)計開發(fā)提供理論和技術(shù)支持。 間功率合成天線國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1989 年， A. 出了一種中心頻率為 36陣饋雙反射面天線9，如 圖 1示。 該天線系統(tǒng)以相控陣作饋源， 通過共焦格里高利副反射面照射大型拋物主反射面。 1992年， 0，其饋源陣列是七個角錐喇叭組成的六角形陣，如圖 1示。當(dāng)雙反射面天線華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2的主反射面和副反射面均采用賦形設(shè)計時，天線的增益為 線效率為 61，有效地合成了高功率的窄波束。 圖 1 陣饋格里高利雙反射面天線示意圖9圖 1六角形陣拋物面空間功率合成天線101993 年， D. C. 人提出了一種采用相控陣作饋源的偏置反射面天線11，不僅改善了反射面失真，還具有比傳統(tǒng)單一饋源的反射面天線更大的掃描角。在 1994 年，他們對相控陣饋電的反射面天線進行了進一步研究，提出了只配置移相器的相控陣天線作饋源的反射面天線12，采用相位梯度搜索算法（ 化移相器的相移，不僅大大簡化了相控陣饋源的復(fù)雜性，還提高了天線增益和降低了旁瓣電平。 1998 年，美國 線產(chǎn)品中心提出了一種結(jié)合反射面和功率合成陣列的星載通信天線13，如圖 1示。它采用功率合成陣列作饋源實現(xiàn)功率合成，賦形卡賽格倫天線實現(xiàn)波束成形，合成輸出功率為 30W。 第一章 緒論 32000 年， . 出了一種利用貼片天線陣列饋電的反射面天線14，如圖 1示。通過精心配置的陣元（間距和激勵） ，陣列只照射反射面非封閉的部分。此外，還對陣列的方向性圖進行了優(yōu)化，使得反射面天線的非封閉部分被準(zhǔn)均勻照亮。 圖 1結(jié)合反射面和功率合成陣列的星載通信天線13a) b) 圖 1a) 微帶貼片天線陣列饋源； b)貼片陣列饋電的反射面天線142006 年， . . 出了一種新型的混合天線結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的反射面與采用反射器表面作為陣列口徑的印刷電路陣列相結(jié)合15， 如圖 1示。主反射表面是與拋物面共形的印刷電路陣列，印刷電路陣列各陣元由功分器饋電，并使用移相器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)南嘁苼硌a償表面曲率，中間的陣元或者子陣列作為副反射面的饋源。 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4圖 1反射面與采用反射器表面作為陣列口徑的印刷電路陣列152008 年， R. L. 出了一種利用相控陣饋電的拋物柱面天線 16，通過優(yōu)化相控陣饋源的各陣元相位，提高了前饋和偏置拋物柱面天線的方向性系數(shù)。 國內(nèi)專家和學(xué)者也對空間功率合成天線進行了相關(guān)研究。文獻 17提出了一種混合集成型有源陣列天線結(jié)構(gòu)，在 獻 18實現(xiàn)了 2元空間耦合有源天線陣列的空 間功率合成和波束掃描。文獻 19對使用 7單元的扇形喇叭一維陣列、角錐喇叭或圓錐喇叭三角陣列喇叭束作為饋源的單偏置拋物面天線，空間合成高功率微波進行了比較研究，指出了采用扇形喇叭一維陣列饋源的天線系統(tǒng)具有最高的方向性系數(shù)和最大的溢出效率。 文獻 20, 21分析了影響高功率微波空間功率合成的主要因素，研究了幾種誤差對空間功率合成效率的影響。文獻 22提出一種基于實時相位校準(zhǔn)技術(shù)的 最大合成效率達(dá)到 90%以上。文獻 23圍繞天線陣列在空間功率合成中的應(yīng)用 展開研究，討論和分析不同陣列形式的特性，并提出了三維稀疏 體陣列的綜合方法以及交叉 波束實現(xiàn)空間功率合成的方法。文獻 24從空間功率合成機理的角度出發(fā)，分別 介紹高功率微波空間功率合成的 3種主要方法：相控陣法、聚焦束法和交叉束法。文獻 25提出了一種基于時延和相位聯(lián)合預(yù)補償?shù)目臻g功率合成分布式衛(wèi)星對抗技術(shù)。文獻 26利用空間功率合成技術(shù)，突破功率器件的制約，得到更大的干擾功率。文獻 27對有源天線陣列的平行波束和交叉波束的空間功率合成進行了研究。文獻 28提出了一種隨意分散布站短波通信干擾機空間功率合成系統(tǒng)。該系統(tǒng)以短波通信干擾機為陣列單元，采用隨機稀布陣數(shù)字發(fā)射波束形成技術(shù)將多臺干擾機的功率在空間進行合成，達(dá)到增強干擾功率的目的。文獻 29提出第一章 緒論 5了一種用于空間功率合成模塊的輸入輸出鰭狀天線陣。文獻 30設(shè)計了一種喇叭線陣拋物柱面空間功率合成天線，如圖 1示。由于所設(shè)計的反射面天線電尺寸很大，為了提高計算的效率，提出了將軟件仿真和理論分析相結(jié)合的分析方法。文獻 31, 32對這種天線的特性口面場積分方法進行深入的研究，得出了很多有意義的數(shù)據(jù)和結(jié)果。 圖 1偏饋拋物柱面空間功率合成天線32文獻 33提出了一種新型的用于偏饋拋物柱面天線的功分喇叭，如圖 1示。由于改善了口面上的電磁分布，采用此種喇叭能很好的降低天線方向圖的副瓣并進一步提高其增益。 與傳統(tǒng)用角錐喇叭陣列作為饋源的拋物柱面天線相比 ,使用功分喇叭直線陣列使得天線增益增加 0.7 徑效率從 68%提高到 80%, 圖 1功分喇叭33文獻 34根據(jù)惠更斯 圖 1示。把饋源陣列偏離反射面的焦點，同時饋源陣列的饋電幅度和相位與放在焦點上點饋源輻射波陣面的幅度 相位分布相同，根據(jù)惠更斯 源陣列對反射面的照射場與點饋源的照射場相同，經(jīng)拋物面反射后產(chǎn)生的遠(yuǎn)場輻射與點源饋電的拋物面天線輻射場相同。 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 6圖 1基于惠更斯 4文獻 35設(shè)計了一種新型的拋物曲面天線，如圖 1示，并研究了反射面的彎曲程度、高度以及反射面與饋源之間的配置對天線性能的影響。 圖 1 拋物曲面天線35文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 經(jīng)典反射面天線的分析采用幾何光學(xué)近似，在饋源可以看成為點源的情況下，等效相位中心置于反射面焦點處的 饋源可以在標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)拋物 面或拋物柱面口徑上獲得理想的同相口面場分布。對于大尺寸饋源陣列的反射面空間功率合成天線來說，幾何光學(xué)近似并不完全成立，為了獲得更理想的反射面口面場分布，對反射面形狀作適當(dāng)?shù)男拚怯斜匾?。因此，有必要對大尺寸饋源陣列的反射面空間功率合成天線設(shè)計方法進行研究。本文的特色和創(chuàng)新之處在于提出大尺寸饋源陣列下兩種不同的反射面天線設(shè)計方法。本文以 8 路喇叭線陣饋電的偏饋反射面天線作為研究對象，分別采用曲率矩陣原理和 術(shù)，對反射面的形狀進行修正，來匹配大尺寸饋源陣列輻射的電磁波，實現(xiàn)對反射面的最佳照射，以得到最大的功率合成；并在此基礎(chǔ)上進行了反射面口徑邊界第一章 緒論 7的優(yōu)化以及波束掃描等工作，得到了一些很有意義的結(jié)論；最后根據(jù)仿真結(jié)果制作了一套反射面天線進行實測。本文研究所得到的數(shù)據(jù)和所提出的方法為反射面天線在空間功率合成中的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。 全文共分為七章，各章的主要內(nèi)容為 : 第一章，概述本課題的研究背景和意義以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并且簡要介紹本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排。 第二章，主要介紹傳統(tǒng)反射面天線的設(shè)計方法，包括旋轉(zhuǎn)拋物面天線、拋物柱面天線和陣饋偏置拋物面天線。 第三章，首先介紹了曲率矩陣原理，并給出了曲率矩陣原理設(shè)計陣饋反射面空間功率合成天線的方法。然后根據(jù)某工程項目要求，根據(jù)所給出的方法，設(shè)計了線陣反射面天線。仿真結(jié)果表明，曲率矩陣原理設(shè)計陣饋反射面空間功率合成天線的方法能有效的合成功率。本章提出的曲率矩陣原理設(shè)計陣饋反射面空間功率合成天線的方法是本文的第一個創(chuàng)新點。 第四章，首先介紹了 著基于 遺傳算法引入到反射面天線的面賦形優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)計了另一種新型的反射面天線。通過仿真實例說明，該設(shè)計方法有效提高了反射面天線的增益，并壓低了副瓣電平。本章還研究了 3 3階 4階 過對比， 4 4階 章提出的基于 第五章，主要研究了反射面口徑邊界的優(yōu)化問題，研究了圓角矩形邊界和超二次方程邊界，并給出了最佳口徑效率時反射面的口徑邊界形狀。 第六章，主要研究了陣饋反射面空間功率合成天線的波束掃描技術(shù)，研究了反射面不同轉(zhuǎn)動支點、轉(zhuǎn)動角度對天線的輻射方向、增益、波瓣寬度以及副瓣電平等性能的影響，得到了一系列機械掃描和電掃描的控制曲線。 第七章，以口徑效率最高的 4 4 階 面建模的陣饋反射面天線為模型，其口徑邊界為圓角矩形邊界，進行反射面天線的加工、裝配和實測，給出了反射面天線的實際測量的結(jié)果。實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了基于 術(shù)的陣饋反射面天線設(shè)計方法的可行性和優(yōu)越性。 結(jié)論，總結(jié)全文的工作，并提出有待于進一步研究和解決的幾個問題。 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 8第二章 傳統(tǒng)反射面天線設(shè)計方法 轉(zhuǎn)拋物面天線 轉(zhuǎn)拋物面天線的幾何特性和工作原理 拋物面天線由饋源和反射面組成，反射面由形狀為旋轉(zhuǎn)拋物面的導(dǎo)體面或?qū)Ь€柵格網(wǎng)構(gòu)成， 饋源是放置在拋物面的焦點上的具有弱方向性的初級照射器， 可以是單個陣子、單喇叭或多喇叭。利用拋物面的幾何特性和光學(xué)特性，旋轉(zhuǎn)拋物面天線將焦點處的饋源的輻射聚焦成一筆形波束，從而獲得高增益和窄波束。借助于最簡單和最小的饋源，旋轉(zhuǎn)拋物面天線可提供最大的有效增益和最小的波束寬度，因而成為最主要的一種微波天線而獲得了廣泛的應(yīng)用。 旋轉(zhuǎn)拋物面天線的基本幾何關(guān)系見圖 2 圖 2旋轉(zhuǎn)拋物面天線的基本幾何關(guān)系 拋物面的兩個基本幾何性質(zhì)如下36： (1) 焦點 F 到拋物面上任一點 M 的連線 M 點的法線 夾角 于拋物面軸線 夾角的一半。 (2) 拋物面上任一點到焦點 F 的距離 到準(zhǔn)線的距離相等，由焦點發(fā)出的射線經(jīng)拋物面反射后到達(dá)焦平面的總長度相等。 由性質(zhì) (1)，從拋物面焦點 F 發(fā)出的射線經(jīng)拋物面反射 后都是平行于拋物面的軸線M ),M 傳統(tǒng)反射面天線設(shè)計方法 9的。因此，在焦點處的饋源輻射的球面波經(jīng)拋物面反射后變成平行的電磁波束。相反，當(dāng)平行的電磁波沿拋物面的對稱軸入射到拋物面上時，被拋物面會聚于焦點。 由性質(zhì) (2)，即 + = ，從焦點 F 至拋物面再由拋物面到其焦平面的任一條射線的總長度都是相等的。因此，由焦點處發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射后，在口徑上形成平面波前，口徑上的場處處同相。相反，當(dāng)平面電磁波沿拋物面對稱軸入射時，經(jīng)拋物面反射后不僅會聚于焦點，而且相位相同。 這意味著，在拋物面的焦點上放置的饋源所發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射后變成平面波，且在拋物面的焦平面上形成等相位面，如圖 2示： 圖 2旋轉(zhuǎn)拋物面的工作特性 轉(zhuǎn)拋物面天線的分類 分析中兩種有用的坐標(biāo)系，如圖 2示。在直角坐標(biāo)系（ x， y， z）中，頂點在原點（ 0， 0， 0）的拋物面方程為： )(22+=(2在饋源為原點的球坐標(biāo)系 (， ， )中，拋物面方程為： 2f=(2焦點 F 到旋轉(zhuǎn)拋物面邊緣處的最大矢徑為： 021(2華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 10由圖中的幾何關(guān)系： ( )000001= (2有： ()0000=+(2由此得到拋物面天線的焦徑比為： 01 (2對于拋物面而言，口徑 D 和焦徑比 f D 確定以后，拋物面的形狀就確定了。 根據(jù)焦徑比 f D 不同，拋物面天線可分為如下三類，如圖 2示： 1) 14時，02 ，短焦距拋物面天線。 a) b) c) 圖 2旋轉(zhuǎn)拋物面的分類： a) 長焦距； b) 中焦距； c) 短焦距 將半張角0 繪制成 f D 的函數(shù)，如圖 2示： 第二章 傳統(tǒng)反射面天線設(shè)計方法 11圖 2旋轉(zhuǎn)拋物面邊緣的張角36f D 較大時，天線的電性能較好，但天線的縱向尺 寸較長，使得機械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且拋物面要求的一次波束較窄，從而要求饋 源喇叭口徑較大。例如， 的反射體要求的喇叭口尺寸近似為 的反射面要求的 4 倍。反射體的焦距 f 一般取 。 轉(zhuǎn)拋物面天線的饋源 饋源的電性能和結(jié)構(gòu)對拋物面天線的性能有著重要的影響。為了保證天線有良好的性能，通常對饋源提出如下的要求37： 1）有確定的等效相位中心，保證輻射球面波，且此相位中心置于拋物面的焦點上，保證口徑上的相位同相分布； 2）饋源方向圖形狀應(yīng)盡量符合最佳照射 ，最好是單向輻射和旋轉(zhuǎn)對稱的，同時副瓣和后瓣盡量?。?3）饋源及其支撐物的體積要小，以減小對拋物面口徑的遮擋； 4）具有足夠?qū)挼墓ぷ黝l帶； 5）有足夠的機械強度和功率容量，輕便。 轉(zhuǎn)拋物面天線的性能參數(shù) 一般情況下，饋源的方向圖是旋轉(zhuǎn) 對稱的，其歸一化方向函數(shù)為()F，天線口徑場可表示成： 0 50 70 90 f 張角（）華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 12() () () = (21) 面積利用系數(shù) ()()022020220 = (22) 口徑截獲效率 ()()02020 =(23) 拋物面天線的增益 2244 = = (2式中， = 稱為增益因子。 4) 半功率波瓣寬度 ()525) 第一副瓣電平 16 19 (2物柱面天線 拋物柱面天線38幾何形狀如圖 2示，其焦線為一直線，反射面由拋物線母線沿焦線平移而成。該拋物柱面天線在拋物線所在平面內(nèi)實現(xiàn)聚焦，而在焦線所在的平面內(nèi)只有反射作用。兩個平面內(nèi)的波束是通過不同的方法形成，其波束覆蓋范圍可以獨立地調(diào)整，特別適合于形