L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研制：技術(shù)、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、緒論1.1研究背景與意義隨著全球交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，各類交通工具的數(shù)量急劇增加，交通場(chǎng)景變得日益復(fù)雜，交通安全問題愈發(fā)凸顯，成為了社會(huì)各界高度關(guān)注的焦點(diǎn)。無論是在陸地上穿梭的汽車，還是在天空中翱翔的飛機(jī)，又或是在軌道上飛馳的列車，其安全運(yùn)行都關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。在這樣的大背景下，對(duì)高精度防撞雷達(dá)的需求變得極為迫切，其在保障交通安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。在地面交通領(lǐng)域，汽車保有量持續(xù)攀升，交通擁堵現(xiàn)象愈發(fā)頻繁，這使得車輛之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，每年因車輛碰撞事故導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失數(shù)額巨大。傳統(tǒng)的主動(dòng)安全技術(shù)，例如在車輛上安裝的普通雷達(dá)，主要通過反向測(cè)量來檢測(cè)前車的距離和速度。當(dāng)檢測(cè)到前車速度超過安全范圍時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)剎車系統(tǒng)，以期望減少撞車的危險(xiǎn)。然而，當(dāng)兩輛車的距離非常接近時(shí)，這種反向測(cè)量方式很容易出現(xiàn)誤差。因?yàn)樵诮嚯x情況下，周圍環(huán)境的干擾因素增多，比如其他車輛的反射信號(hào)、路邊建筑物的反射等，這些都可能對(duì)雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致剎車系統(tǒng)工作不準(zhǔn)確，無法及時(shí)有效地防止車輛的撞擊。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)的飛行安全同樣面臨著諸多挑戰(zhàn)。隨著民航運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，機(jī)場(chǎng)的航班流量日益增大，空中交通變得愈發(fā)繁忙。在機(jī)場(chǎng)的起降階段以及飛行過程中，飛機(jī)需要時(shí)刻與其他飛機(jī)、障礙物等保持安全距離。一旦發(fā)生碰撞事故，其后果將不堪設(shè)想，不僅會(huì)造成大量人員傷亡，還會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。現(xiàn)有的機(jī)載防撞系統(tǒng)在面對(duì)復(fù)雜的空中交通環(huán)境時(shí)，也存在一定的局限性。例如，一些傳統(tǒng)的防撞雷達(dá)在探測(cè)精度、探測(cè)范圍以及對(duì)多目標(biāo)的識(shí)別能力等方面，難以滿足現(xiàn)代航空安全的嚴(yán)格要求。L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線作為一種先進(jìn)的技術(shù)，為解決上述交通安全問題帶來了新的希望。L波段具有獨(dú)特的電磁波特性，在該波段下工作的二次防撞雷達(dá)相控陣天線展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。相控陣天線技術(shù)的應(yīng)用，使得雷達(dá)能夠通過控制陣列中各個(gè)天線單元的相位和幅度，實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描和靈活指向。這一特性大大提高了雷達(dá)的探測(cè)距離，相比傳統(tǒng)天線，它能夠更早地檢測(cè)到遠(yuǎn)距離的目標(biāo)物體。同時(shí)，相控陣天線還顯著提升了信號(hào)的準(zhǔn)確性，通過精確控制波束的指向和形狀，能夠更清晰地分辨目標(biāo)物體的位置、速度和形狀等信息，有效減少了誤報(bào)和漏報(bào)的情況。在車輛安全系統(tǒng)中，L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線能夠更有效地檢測(cè)到前方車輛以及前方障礙物的信息。它不僅可以準(zhǔn)確測(cè)量前車的距離和速度，還能對(duì)周圍的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行全面感知，提前發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)。當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)，能夠及時(shí)向車輛控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)剎車、避讓等安全措施，從而避免車輛之間的碰撞事故發(fā)生，為駕乘人員提供更加可靠的安全保障。在航空領(lǐng)域，L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線應(yīng)用于機(jī)載防撞系統(tǒng)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)周圍的空域情況。通過對(duì)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)跟蹤和精確識(shí)別，為飛行員提供準(zhǔn)確的飛行安全信息。當(dāng)檢測(cè)到有其他飛機(jī)或障礙物接近到危險(xiǎn)距離時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并為飛行員提供相應(yīng)的應(yīng)對(duì)建議，幫助飛行員采取正確的操作，避免空中碰撞事故的發(fā)生，確保飛機(jī)的飛行安全。研究L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研制具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。它能夠顯著提高各類交通工具的安全性，減少交通事故的發(fā)生，降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。這對(duì)于提升整個(gè)交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率，保障社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展，都具有不可估量的價(jià)值。同時(shí)，該技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也將推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，相控陣天線技術(shù)的研究起步較早，發(fā)展也較為成熟。美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在這一領(lǐng)域投入了大量的研發(fā)資源，取得了眾多先進(jìn)的研究成果，并廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、交通等多個(gè)領(lǐng)域。美國(guó)在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研究方面處于世界領(lǐng)先地位。其科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)在天線設(shè)計(jì)、制造工藝以及系統(tǒng)集成等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。例如，[具體公司1]研發(fā)的相控陣天線采用了先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和輕量化，同時(shí)提高了天線的性能和可靠性。該天線在航空領(lǐng)域的應(yīng)用中，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到周圍飛機(jī)的位置和速度信息，為飛行員提供及時(shí)、準(zhǔn)確的防撞預(yù)警，大大提高了飛行安全。[具體公司2]則專注于相控陣天線的算法研究，通過優(yōu)化波束形成算法和信號(hào)處理算法，提高了天線的分辨率和抗干擾能力。其研發(fā)的產(chǎn)品在復(fù)雜的電磁環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作，有效避免了虛假目標(biāo)的干擾，確保了雷達(dá)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。歐洲的一些國(guó)家，如德國(guó)、法國(guó)等，也在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線領(lǐng)域取得了顯著的成果。德國(guó)的[具體公司3]利用新型材料和制造工藝，研制出了高性能的相控陣天線。該天線具有低損耗、高增益的特點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離探測(cè)方面表現(xiàn)出色。法國(guó)的[具體公司4]則注重天線的多功能性研究，開發(fā)出了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和雷達(dá)探測(cè)功能的相控陣天線，為未來的智能交通系統(tǒng)提供了新的解決方案。在國(guó)內(nèi)，隨著對(duì)交通安全重視程度的不斷提高，以及相關(guān)科研投入的持續(xù)增加，L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)積極參與到這一領(lǐng)域的研究中，取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果。國(guó)內(nèi)一些高校，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等，在相控陣天線的理論研究方面具有深厚的學(xué)術(shù)底蘊(yùn)。他們通過深入研究相控陣天線的原理、特性以及相關(guān)算法，為我國(guó)相控陣天線技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)?？蒲袡C(jī)構(gòu)如中國(guó)電子科技集團(tuán)公司等，在相控陣天線的工程化應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展。他們成功研制出了多種型號(hào)的L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。這些天線在性能上已經(jīng)接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在國(guó)內(nèi)的航空、交通等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。盡管國(guó)內(nèi)外在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研究方面取得了豐碩的成果，但現(xiàn)有的技術(shù)仍存在一些不足之處。部分相控陣天線在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性較差，容易受到電磁干擾、天氣變化等因素的影響，導(dǎo)致探測(cè)精度下降。一些天線的成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。此外，在多目標(biāo)跟蹤和識(shí)別方面，現(xiàn)有的技術(shù)還不能完全滿足實(shí)際需求，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1.3主要研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)本文主要聚焦于L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研制，涵蓋了從理論研究到實(shí)際設(shè)計(jì)、測(cè)試以及優(yōu)化的多個(gè)關(guān)鍵方面，具體內(nèi)容如下：L波段相控陣天線理論研究：深入剖析L波段相控陣天線的基本原理，包括其獨(dú)特的工作機(jī)制、信號(hào)傳輸特性以及在二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。研究方向圖乘積定理在L波段相控陣天線中的應(yīng)用，分析線性相控陣天線和平面相控陣天線的掃描特性，如波束掃描的原理、掃描范圍以及掃描精度等，為后續(xù)的天線設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。天線陣列設(shè)計(jì)：依據(jù)L波段的特性和二次防撞雷達(dá)的性能要求，精心設(shè)計(jì)合適的天線陣列結(jié)構(gòu)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)天線尺寸、重量和性能的嚴(yán)格要求，選擇平面倒F天線（PIFA）作為陣列單元。深入研究PIFA單元的基本理論，探索實(shí)現(xiàn)其小型化、多頻化和寬帶化的有效方式，如通過優(yōu)化天線的幾何形狀、調(diào)整貼片尺寸以及采用新型材料等手段。對(duì)PIFA天線單元進(jìn)行加載優(yōu)化，運(yùn)用互補(bǔ)分裂環(huán)諧振器（CSRR）結(jié)構(gòu)對(duì)寄生貼片進(jìn)行小型化處理，以進(jìn)一步提升天線的性能。設(shè)計(jì)雙諧振頻率PIFA單元，使其能夠在不同的頻率下穩(wěn)定工作，提高天線的適應(yīng)性。對(duì)PIFA天線陣列進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過仿真軟件模擬不同陣列布局和參數(shù)設(shè)置下天線的性能表現(xiàn)，如輻射方向圖、增益、駐波比等，從而確定最優(yōu)的天線陣列設(shè)計(jì)方案。饋電與控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)：構(gòu)建高效的饋電網(wǎng)絡(luò)是確保天線性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。詳細(xì)規(guī)劃饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)步驟，包括確定功分比、選擇合適的傳輸線以及設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)等。設(shè)計(jì)電橋功分網(wǎng)絡(luò)，確保信號(hào)能夠均勻地分配到各個(gè)天線單元，提高天線的輻射效率。對(duì)PIN移相器進(jìn)行深入研究和設(shè)計(jì)，通過控制PIN移相器的導(dǎo)通狀態(tài)來精確調(diào)整天線單元的相位，實(shí)現(xiàn)波束的靈活掃描。完成饋電網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保其能夠滿足二次防撞雷達(dá)的性能要求，如功率容量、信號(hào)傳輸損耗等。天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真：將天線陣列、饋電網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)整合，完成防撞雷達(dá)相控陣天線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。運(yùn)用專業(yè)的仿真軟件對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)進(jìn)行全面仿真，模擬其在實(shí)際工作環(huán)境中的性能表現(xiàn)，如在不同的目標(biāo)距離、角度和電磁干擾條件下的探測(cè)能力。通過仿真結(jié)果分析，評(píng)估天線系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如波束寬度、增益、旁瓣電平、抗干擾能力等，找出潛在的問題和不足之處，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。天線性能測(cè)試與分析：按照設(shè)計(jì)方案制作天線樣機(jī)，并搭建完善的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括天線的駐波比、方向圖、增益、帶寬等關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)值和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估天線的性能是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。若發(fā)現(xiàn)性能偏差，深入研究偏差產(chǎn)生的原因，如加工誤差、裝配問題、材料性能差異等，并提出針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)方案。通過多次測(cè)試和優(yōu)化，不斷提升天線的性能，使其能夠滿足L波段二次防撞雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中的嚴(yán)格要求。通過以上研究?jī)?nèi)容，本文期望達(dá)成以下目標(biāo)：成功研制出一款性能優(yōu)良的L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線，該天線在探測(cè)距離、信號(hào)準(zhǔn)確性、抗干擾能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)上達(dá)到或超越現(xiàn)有同類產(chǎn)品水平。具體而言，天線應(yīng)具備足夠?qū)挼墓ぷ鲙?，以適應(yīng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境；具有較高的增益和較低的旁瓣電平，確保能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到目標(biāo)物體并有效抑制雜波干擾；實(shí)現(xiàn)快速、靈活的波束掃描功能，能夠及時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)物體并提供準(zhǔn)確的位置和速度信息。同時(shí)，通過對(duì)天線設(shè)計(jì)和性能的深入研究，為L(zhǎng)波段二次防撞雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展提供新的理論和實(shí)踐依據(jù)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，為交通安全領(lǐng)域提供更加可靠、高效的防撞解決方案。1.4研究方法與技術(shù)路線在本研究中，綜合運(yùn)用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等多種研究方法，確保研究的全面性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研制目標(biāo)。理論分析方面，深入研究L波段相控陣天線的基本原理，包括其工作機(jī)制、信號(hào)傳輸特性以及在二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。對(duì)方向圖乘積定理在L波段相控陣天線中的應(yīng)用進(jìn)行深入剖析，詳細(xì)分析線性相控陣天線和平面相控陣天線的掃描特性，如波束掃描的原理、掃描范圍以及掃描精度等。通過理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)建模，為天線的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在研究PIFA單元時(shí)，基于電磁場(chǎng)理論，分析其輻射特性、阻抗匹配原理以及實(shí)現(xiàn)小型化、多頻化和寬帶化的理論依據(jù)。深入研究相控陣天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原理，包括功分比的確定、傳輸線的選擇以及匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)等，為實(shí)際的電路設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。仿真模擬是本研究的重要手段之一。利用專業(yè)的電磁仿真軟件，如HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）、CST（ComputerSimulationTechnology）等，對(duì)天線陣列、饋電網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的仿真設(shè)計(jì)。在天線陣列設(shè)計(jì)階段，通過仿真軟件模擬不同陣列布局和參數(shù)設(shè)置下天線的性能表現(xiàn)，如輻射方向圖、增益、駐波比等，從而確定最優(yōu)的天線陣列設(shè)計(jì)方案。對(duì)PIFA天線單元進(jìn)行加載優(yōu)化和雙諧振頻率設(shè)計(jì)時(shí)，利用仿真軟件分析不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)天線性能的影響，找到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。在饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，通過仿真驗(yàn)證電橋功分網(wǎng)絡(luò)和PIN移相器的性能，確保其能夠滿足二次防撞雷達(dá)的性能要求。對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，模擬其在實(shí)際工作環(huán)境中的性能表現(xiàn)，如在不同的目標(biāo)距離、角度和電磁干擾條件下的探測(cè)能力，為天線系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試是驗(yàn)證研究成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按照設(shè)計(jì)方案制作天線樣機(jī)，并搭建完善的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括天線的駐波比、方向圖、增益、帶寬等關(guān)鍵參數(shù)。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的駐波比和傳輸特性，利用天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量天線的方向圖和增益。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)值和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估天線的性能是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。若發(fā)現(xiàn)性能偏差，深入研究偏差產(chǎn)生的原因，如加工誤差、裝配問題、材料性能差異等，并提出針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)方案。通過多次測(cè)試和優(yōu)化，不斷提升天線的性能，使其能夠滿足L波段二次防撞雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中的嚴(yán)格要求。本研究的技術(shù)路線如下：首先，廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入了解L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，明確研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行L波段相控陣天線的理論研究，掌握其基本原理和特性，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供理論支持。接著，根據(jù)L波段的特性和二次防撞雷達(dá)的性能要求，進(jìn)行天線陣列設(shè)計(jì)。選擇合適的天線單元，如平面倒F天線（PIFA），并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小型化、多頻化和寬帶化。同時(shí)，設(shè)計(jì)高效的饋電網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)，確保天線系統(tǒng)的正常工作。完成天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，利用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行全面仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和性能指標(biāo)的合理性。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，直到滿足設(shè)計(jì)要求。然后，按照優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案制作天線樣機(jī)，并搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出存在的問題和不足之處，進(jìn)一步優(yōu)化天線設(shè)計(jì)。最后，總結(jié)研究成果，撰寫論文，為L(zhǎng)波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研究和應(yīng)用提供參考。二、相控陣天線理論基礎(chǔ)2.1相控陣天線發(fā)展歷程相控陣天線的發(fā)展歷程是一部充滿創(chuàng)新與突破的科技進(jìn)步史，其起源可追溯到20世紀(jì)中葉，最初是應(yīng)軍事領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芾走_(dá)系統(tǒng)的迫切需求而誕生。在冷戰(zhàn)時(shí)期，國(guó)際局勢(shì)緊張，軍事對(duì)抗激烈，傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的作戰(zhàn)環(huán)境時(shí)，暴露出諸多局限性，如掃描速度慢、靈活性差、目標(biāo)跟蹤能力有限等，難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)快速、準(zhǔn)確探測(cè)目標(biāo)的要求。為了提升軍事偵察和防御能力，科研人員開始探索新的雷達(dá)技術(shù)，相控陣天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1957年，美國(guó)雷神公司首次成功研制出世界上第一個(gè)實(shí)用化的相控陣?yán)走_(dá)——AN/FPS-85。這部雷達(dá)采用了電子掃描技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)廣闊空域進(jìn)行快速掃描，極大地提高了目標(biāo)探測(cè)和跟蹤的效率。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著相控陣天線技術(shù)從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。AN/FPS-85雷達(dá)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，其卓越的性能使得美國(guó)在防空預(yù)警、導(dǎo)彈防御等方面取得了顯著優(yōu)勢(shì)。隨著科技的不斷進(jìn)步，相控陣天線技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展。在防空雷達(dá)系統(tǒng)中，相控陣天線能夠快速掃描天空，及時(shí)發(fā)現(xiàn)來襲的敵機(jī)和導(dǎo)彈，并精確跟蹤目標(biāo)，為防空作戰(zhàn)提供了強(qiáng)有力的支持。在艦載雷達(dá)系統(tǒng)中，相控陣天線能夠適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境，有效探測(cè)海面目標(biāo)和空中目標(biāo)，增強(qiáng)了艦艇的作戰(zhàn)能力和防御能力。例如，美國(guó)海軍的“宙斯盾”系統(tǒng)采用了相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，具備強(qiáng)大的防空、反導(dǎo)和反潛能力，成為現(xiàn)代海軍艦艇的核心作戰(zhàn)系統(tǒng)之一。相控陣天線技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐漸從軍事領(lǐng)域拓展到民用領(lǐng)域，為眾多行業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。在航空航天領(lǐng)域，相控陣天線被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。在飛機(jī)上，相控陣天線能夠?qū)崿F(xiàn)高速、可靠的空地通信，提高飛行安全和運(yùn)營(yíng)效率。在衛(wèi)星通信中，相控陣天線可以實(shí)現(xiàn)多波束通信，提高通信容量和覆蓋范圍，滿足日益增長(zhǎng)的衛(wèi)星通信需求。在氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，相控陣天氣雷達(dá)能夠快速掃描天空，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象變化，提供準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警信息，為保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了重要支持。近年來，隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，相控陣天線作為5G基站的關(guān)鍵技術(shù)之一，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信速度和容量提出了極高的要求，相控陣天線通過波束賦形和智能調(diào)度技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，滿足用戶對(duì)高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的需求。相控陣天線在智能交通、汽車自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為實(shí)現(xiàn)交通智能化和自動(dòng)化提供了技術(shù)支持。2.2相控陣天線工作原理2.2.1基本原理相控陣天線是一種通過控制陣列中各個(gè)天線單元的相位和幅度，來實(shí)現(xiàn)波束的定向和掃描的先進(jìn)天線系統(tǒng)。其基本工作原理基于電磁波的干涉原理，通過對(duì)各單元信號(hào)的相位進(jìn)行精確控制，使得天線輻射的信號(hào)在空間中相互干涉，從而形成特定方向的波束。相控陣天線系統(tǒng)主要由多個(gè)天線單元組成，這些單元按照一定的規(guī)律排列在平面或曲面上，構(gòu)成天線陣列。每個(gè)天線單元都連接著一個(gè)獨(dú)立的射頻發(fā)射/接收模塊，通過對(duì)這些模塊的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元天線信號(hào)的相位和振幅的精確調(diào)節(jié)。當(dāng)所有單元天線的相位相同且振幅相等時(shí)，它們發(fā)出的信號(hào)在空間上會(huì)疊加形成一個(gè)主波束，此時(shí)主波束的方向垂直于天線陣列平面。而當(dāng)改變每個(gè)單元天線的相位差時(shí)，信號(hào)之間的干涉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致波束的方向發(fā)生改變。通過精確控制相位差的大小和方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)波束的靈活掃描。假設(shè)一個(gè)由N個(gè)相同天線單元組成的均勻直線相控陣，各單元間距為d，以坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，第n個(gè)單元的位置為(n-1)d。當(dāng)有一個(gè)頻率為f的電磁波信號(hào)入射到該相控陣上時(shí)，其波數(shù)為k=2πf/c，其中c為光速。對(duì)于來自與陣列法線夾角為θ方向的信號(hào)，第n個(gè)單元相對(duì)于參考單元的相位差為：\Delta\varphi_n=k(n-1)d\sin\theta通過控制每個(gè)單元的移相器，使其產(chǎn)生與該相位差相反的相位補(bǔ)償，即\varphi_n=-\Delta\varphi_n，這樣經(jīng)過移相器補(bǔ)償后，各單元信號(hào)在空間中就會(huì)同相疊加，從而形成指向θ方向的波束。通過改變移相器的相位，就可以改變波束的指向，實(shí)現(xiàn)波束掃描。2.2.2方向圖乘積定理方向圖乘積定理是相控陣天線設(shè)計(jì)中的重要理論基礎(chǔ)，它描述了相控陣天線的總方向圖是由單元方向圖和陣列因子方向圖相乘得到的。這一定理為相控陣天線的性能分析和設(shè)計(jì)提供了有力的工具，使得我們能夠分別研究單元天線和陣列結(jié)構(gòu)對(duì)天線整體性能的影響，從而更有針對(duì)性地進(jìn)行天線設(shè)計(jì)和優(yōu)化。對(duì)于一個(gè)由N個(gè)相同單元組成的相控陣天線，設(shè)第n個(gè)單元的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)為E_n(\theta,\varphi)，可以表示為：E_n(\theta,\varphi)=A_nf(\theta,\varphi)e^{j\alpha_n}e^{jkr_n}其中，A_n是單元的激勵(lì)幅度，f(\theta,\varphi)是單元天線的方向圖函數(shù)，\alpha_n是單元的激勵(lì)相位，k=2\pi/\lambda是波數(shù)，\lambda是波長(zhǎng)，r_n是第n個(gè)單元到觀察點(diǎn)的距離。陣列的遠(yuǎn)區(qū)總場(chǎng)E(\theta,\varphi)為所有單元輻射場(chǎng)的疊加：E(\theta,\varphi)=\sum_{n=1}^{N}E_n(\theta,\varphi)經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)和化簡(jiǎn)，可以得到陣列的方向圖函數(shù)F(\theta,\varphi)為：F(\theta,\varphi)=f(\theta,\varphi)\cdotF_a(\theta,\varphi)其中，f(\theta,\varphi)是單元方向圖函數(shù)，F(xiàn)_a(\theta,\varphi)是陣列因子方向圖函數(shù)，它只與陣列的結(jié)構(gòu)和單元的排列方式有關(guān)，而與單元天線本身的特性無關(guān)。方向圖乘積定理在相控陣天線設(shè)計(jì)中具有重要作用。通過分別設(shè)計(jì)和優(yōu)化單元方向圖和陣列因子方向圖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相控陣天線總方向圖的精確控制，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在雷達(dá)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度探測(cè)，需要設(shè)計(jì)具有窄波束、高增益的天線方向圖。通過選擇合適的單元天線，并對(duì)陣列進(jìn)行合理的布局和相位控制，可以使單元方向圖和陣列因子方向圖相互配合，得到滿足要求的總方向圖。方向圖乘積定理還可以幫助我們分析相控陣天線在不同工作條件下的性能變化，如波束掃描過程中的波束寬度、旁瓣電平的變化等，從而為天線的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。2.3L波段特性分析L波段作為電磁波頻譜中的特定頻段，頻率范圍通常在1-2GHz之間，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為15-30厘米。在二次防撞雷達(dá)領(lǐng)域，L波段展現(xiàn)出一系列獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其成為該領(lǐng)域的理想選擇。L波段雷達(dá)波具備較強(qiáng)的穿透能力，這是其在二次防撞雷達(dá)應(yīng)用中的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。在復(fù)雜的氣象條件下，如降雨、云霧等天氣，L波段能夠有效地穿透這些障礙物，保持較為穩(wěn)定的信號(hào)傳輸。與其他頻段相比，例如C波段（4-8GHz）和X波段（8-12GHz），在相同的降雨強(qiáng)度下，L波段的信號(hào)衰減相對(duì)較小。這意味著L波段二次防撞雷達(dá)能夠在惡劣天氣條件下，依然準(zhǔn)確地探測(cè)目標(biāo)物體，為交通安全提供可靠的保障。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)在飛行過程中經(jīng)常會(huì)遭遇各種氣象條件，L波段二次防撞雷達(dá)的強(qiáng)穿透能力，能夠確保飛機(jī)在復(fù)雜氣象條件下及時(shí)發(fā)現(xiàn)周圍的障礙物和其他飛機(jī)，避免空中碰撞事故的發(fā)生。L波段在目標(biāo)探測(cè)距離和分辨率方面具有良好的平衡。較長(zhǎng)的波長(zhǎng)使得L波段雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)的探測(cè)距離，滿足二次防撞雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)預(yù)警的需求。在車輛防撞系統(tǒng)中，L波段二次防撞雷達(dá)可以提前探測(cè)到前方遠(yuǎn)距離的車輛和障礙物，為駕駛員提供足夠的反應(yīng)時(shí)間。波長(zhǎng)較長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致分辨率相對(duì)較低。然而，通過先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和相控陣天線技術(shù)，可以在一定程度上彌補(bǔ)這一不足。通過優(yōu)化相控陣天線的陣列結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法，能夠提高L波段二次防撞雷達(dá)的分辨率，使其能夠更精確地識(shí)別目標(biāo)物體的位置和形狀。L波段在電磁兼容性方面表現(xiàn)出色。隨著現(xiàn)代交通系統(tǒng)中電子設(shè)備的日益增多，電磁環(huán)境變得愈發(fā)復(fù)雜，電磁干擾問題成為影響設(shè)備性能的重要因素。L波段由于其頻段特性，受到其他電子設(shè)備干擾的可能性相對(duì)較小，同時(shí)也能減少對(duì)其他設(shè)備的干擾。在機(jī)場(chǎng)等電磁環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)所，L波段二次防撞雷達(dá)能夠穩(wěn)定工作，不受周圍通信、導(dǎo)航等設(shè)備的干擾，確保對(duì)飛機(jī)的精確探測(cè)和跟蹤。在車輛密集的交通場(chǎng)景中，L波段二次防撞雷達(dá)也能避免與其他車輛的電子設(shè)備產(chǎn)生相互干擾，保證自身性能的穩(wěn)定發(fā)揮。L波段在二次防撞雷達(dá)中的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使其在保障交通安全方面發(fā)揮著重要作用。隨著科技的不斷進(jìn)步，L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善，未來有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并為交通安全提供更加可靠的保障。2.4二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)概述二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)作為保障交通安全的關(guān)鍵設(shè)備，主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、信號(hào)處理單元以及控制單元等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的精確探測(cè)和防撞預(yù)警功能。發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生高功率的射頻信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后，通過天線發(fā)射出去。在L波段二次防撞雷達(dá)中，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)頻率位于L波段范圍內(nèi)，通常在1-2GHz之間。發(fā)射機(jī)需要具備高功率輸出能力，以確保發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)能夠傳播到較遠(yuǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)。發(fā)射機(jī)的功率穩(wěn)定性和頻率準(zhǔn)確性也至關(guān)重要，這些參數(shù)直接影響到雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)性能。接收機(jī)的主要功能是接收天線接收到的回波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大、濾波和解調(diào)等處理。由于回波信號(hào)在傳播過程中會(huì)受到衰減和干擾，因此接收機(jī)需要具備高靈敏度和低噪聲特性，以確保能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到微弱的回波信號(hào)。接收機(jī)還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確的頻率和相位測(cè)量，以便后續(xù)的信號(hào)處理單元能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出目標(biāo)物體的距離、速度和角度等信息。天線是二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響到雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)能力。在L波段二次防撞雷達(dá)中，通常采用相控陣天線技術(shù)。相控陣天線由多個(gè)天線單元組成，通過控制各單元的相位和幅度，可以實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描和靈活指向。這種技術(shù)使得雷達(dá)能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)不同方向的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，大大提高了雷達(dá)的搜索效率和目標(biāo)跟蹤能力。相控陣天線還具有較高的增益和較低的旁瓣電平，能夠有效地提高雷達(dá)的探測(cè)距離和抗干擾能力。信號(hào)處理單元是二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)對(duì)接收機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，提取出目標(biāo)物體的相關(guān)信息。信號(hào)處理單元首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣和量化，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。然后，通過各種信號(hào)處理算法，如脈沖壓縮、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤等，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出目標(biāo)物體的距離、速度、角度等參數(shù)。在目標(biāo)檢測(cè)算法中，通常采用恒虛警率（CFAR）檢測(cè)方法，以確保在不同的背景噪聲環(huán)境下，都能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到目標(biāo)物體。在目標(biāo)跟蹤算法中，常用的有卡爾曼濾波算法、粒子濾波算法等，這些算法能夠根據(jù)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)目標(biāo)的位置和速度進(jìn)行預(yù)測(cè)和跟蹤?？刂茊卧?fù)責(zé)對(duì)整個(gè)二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，協(xié)調(diào)各部分的工作?？刂茊卧邮諄碜酝獠康目刂浦噶?，如雷達(dá)的工作模式選擇、探測(cè)區(qū)域設(shè)定等，并根據(jù)這些指令對(duì)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理單元等進(jìn)行控制?？刂茊卧€負(fù)責(zé)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)故障。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)到目標(biāo)物體時(shí)，控制單元會(huì)根據(jù)目標(biāo)的危險(xiǎn)程度，發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號(hào)，提醒駕駛員或操作人員采取相應(yīng)的措施，以避免碰撞事故的發(fā)生。二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)的工作流程可以概括為發(fā)射信號(hào)、接收回波、信號(hào)處理和目標(biāo)判斷四個(gè)主要步驟。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的射頻信號(hào)經(jīng)過天線發(fā)射出去，形成電磁波束向周圍空間傳播。當(dāng)電磁波遇到目標(biāo)物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，部分反射信號(hào)會(huì)被天線接收。接收機(jī)將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和解調(diào)等處理，將其轉(zhuǎn)換為適合信號(hào)處理單元處理的形式。信號(hào)處理單元對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算，提取出目標(biāo)物體的距離、速度、角度等信息。根據(jù)這些信息，判斷目標(biāo)物體是否對(duì)自身構(gòu)成威脅，如果存在威脅，則發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示相關(guān)人員采取相應(yīng)的防撞措施。在實(shí)際應(yīng)用中，二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)通常與其他設(shè)備或系統(tǒng)配合使用，以提高交通安全保障能力。在車輛防撞系統(tǒng)中，二次防撞雷達(dá)可以與車輛的制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)到前方有危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)，會(huì)向車輛控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，自動(dòng)觸發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)或調(diào)整車輛的行駛方向，以避免碰撞事故的發(fā)生。在航空領(lǐng)域，二次防撞雷達(dá)可以與飛機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等進(jìn)行集成，為飛行員提供準(zhǔn)確的飛行安全信息，幫助飛行員做出正確的決策，確保飛機(jī)的飛行安全。三、L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線設(shè)計(jì)3.1天線陣列設(shè)計(jì)3.1.1陣列形式選擇在相控陣天線的設(shè)計(jì)中，陣列形式的選擇至關(guān)重要，它直接影響著天線的性能和應(yīng)用效果。常見的陣列形式有平面陣列、圓形陣列等，每種形式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)L波段二次防撞雷達(dá)的具體需求進(jìn)行綜合考慮和選擇。平面陣列是一種應(yīng)用廣泛的陣列形式，它由多個(gè)天線單元按照一定的規(guī)律排列在一個(gè)平面上。平面陣列具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)點(diǎn)。其平面布局使得天線在加工過程中工藝難度較低，能夠保證較高的制造精度，從而降低生產(chǎn)成本。平面陣列在掃描特性方面表現(xiàn)出色，能夠?qū)崿F(xiàn)較大角度的波束掃描。在L波段二次防撞雷達(dá)中，需要對(duì)周圍空間進(jìn)行全方位的探測(cè)，平面陣列的大角度掃描能力能夠滿足這一需求，確保雷達(dá)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各個(gè)方向的目標(biāo)物體。平面陣列的方向性好，能夠有效地提高雷達(dá)的探測(cè)精度和抗干擾能力。通過合理設(shè)計(jì)平面陣列的單元布局和相位控制，可以使天線的主波束更加集中，旁瓣電平更低，從而增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)物體的探測(cè)能力，減少雜波干擾的影響。圓形陣列則是將天線單元排列在一個(gè)圓形平面上，這種陣列形式具有全向性的特點(diǎn)。圓形陣列在各個(gè)方向上的性能較為均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的探測(cè)。在一些需要對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景中，圓形陣列具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在機(jī)場(chǎng)等復(fù)雜的交通環(huán)境中，需要對(duì)飛機(jī)周圍的各個(gè)方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，圓形陣列可以滿足這一需求，確保不會(huì)遺漏任何潛在的危險(xiǎn)目標(biāo)。圓形陣列的波束掃描方式相對(duì)靈活，可以通過控制單元的相位實(shí)現(xiàn)不同形狀的波束掃描。圓形陣列也存在一些不足之處，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和制造難度較大。由于單元分布在圓形平面上，使得饋電網(wǎng)絡(luò)和相位控制電路的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。圓形陣列在某些方向上的增益相對(duì)較低，可能會(huì)影響雷達(dá)的探測(cè)距離和精度。綜合考慮L波段二次防撞雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景和性能需求，平面陣列更適合本研究。在車輛防撞系統(tǒng)中，需要對(duì)車輛前方的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)，平面陣列的方向性和大角度掃描能力能夠滿足這一需求，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到前方車輛和障礙物的信息。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)在飛行過程中需要對(duì)前方和側(cè)面的空域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，平面陣列的性能特點(diǎn)能夠?yàn)轱w機(jī)提供可靠的防撞預(yù)警。因此，本研究選擇平面陣列作為L(zhǎng)波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的陣列形式。3.1.2天線單元設(shè)計(jì)平面倒F天線（PIFA）作為一種廣泛應(yīng)用的天線形式，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)，非常適合作為L(zhǎng)波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的單元。PIFA天線由一個(gè)平面輻射單元、接地平面、短路金屬片和同軸饋線組成。其輻射單元通常為矩形金屬貼片，通過短路金屬片與接地平面相連，同軸饋線用于信號(hào)的輸入和輸出。這種結(jié)構(gòu)使得PIFA天線具有較低的剖面高度，適合在空間有限的環(huán)境中使用，滿足了L波段二次防撞雷達(dá)對(duì)天線小型化的需求。PIFA天線的設(shè)計(jì)原理基于電磁諧振理論。當(dāng)天線的尺寸與工作波長(zhǎng)滿足一定關(guān)系時(shí)，天線會(huì)發(fā)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)高效的電磁輻射。對(duì)于PIFA天線，其諧振頻率主要由輻射單元的長(zhǎng)度、寬度以及天線的高度等因素決定。根據(jù)傳輸線理論，天線的輸入阻抗與饋電點(diǎn)的位置密切相關(guān)。PIFA天線通過調(diào)整饋電點(diǎn)的位置，可以實(shí)現(xiàn)與50歐姆標(biāo)準(zhǔn)阻抗的匹配，從而提高天線的輻射效率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常利用電磁場(chǎng)仿真軟件，如HFSS等，對(duì)PIFA天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最佳的性能。在小型化設(shè)計(jì)方面，PIFA天線可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)。一種常見的方法是采用彎折結(jié)構(gòu)，通過對(duì)輻射單元進(jìn)行彎折，增加電流路徑的長(zhǎng)度，從而在不改變天線物理尺寸的情況下，減小天線的電尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化。利用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板也可以有效地減小天線的尺寸。高介電常數(shù)的介質(zhì)基板會(huì)使電磁波在其中傳播的速度變慢，從而在相同的頻率下，天線的物理尺寸可以相應(yīng)減小。采用多層結(jié)構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)PIFA天線小型化的有效手段。通過將輻射單元和接地平面分層設(shè)置，可以在有限的空間內(nèi)增加天線的有效面積，提高天線的性能，同時(shí)減小天線的整體尺寸。寬帶化設(shè)計(jì)是PIFA天線設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要目標(biāo)。為了拓寬PIFA天線的帶寬，可以采用增加寄生貼片的方法。在輻射單元周圍添加寄生貼片，寄生貼片與輻射單元之間存在電磁耦合，這種耦合可以激發(fā)多個(gè)諧振模式，從而拓寬天線的帶寬。調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如輻射單元的長(zhǎng)寬比、短路金屬片的位置和寬度等，也可以改變天線的諧振特性，實(shí)現(xiàn)帶寬的拓寬。利用開槽技術(shù)，在輻射單元上開設(shè)適當(dāng)?shù)牟劭p，改變電流分布，也能夠有效地拓寬天線的帶寬。在L波段二次防撞雷達(dá)中，需要天線具有較寬的帶寬，以適應(yīng)不同的工作頻率和復(fù)雜的電磁環(huán)境，通過上述寬帶化設(shè)計(jì)方法，可以使PIFA天線滿足這一要求。3.1.3陣列布局優(yōu)化天線單元的間距和排列方式對(duì)相控陣天線的性能有著顯著的影響，因此，通過仿真分析來優(yōu)化陣列布局是提高天線性能的關(guān)鍵步驟。在相控陣天線中，天線單元之間存在互耦現(xiàn)象，即一個(gè)天線單元的輻射場(chǎng)會(huì)影響其他天線單元的工作狀態(tài)。互耦會(huì)導(dǎo)致天線的輸入阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而影響天線的輻射方向圖、增益和駐波比等性能指標(biāo)。合理的天線單元間距和排列方式可以有效地降低互耦效應(yīng)，提高天線的性能。當(dāng)天線單元間距過小時(shí)，互耦效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致天線的輻射方向圖發(fā)生畸變，旁瓣電平升高，增益下降。這是因?yàn)樘炀€單元之間的電磁場(chǎng)相互干擾，使得天線的輻射特性變得復(fù)雜。當(dāng)間距過大時(shí)，雖然互耦效應(yīng)會(huì)減弱，但會(huì)導(dǎo)致天線的口徑利用效率降低，波束寬度變寬，分辨率下降。這是因?yàn)檫^大的間距會(huì)使得天線陣列的有效面積減小，從而影響天線的輻射性能。因此，需要通過仿真分析來確定最佳的天線單元間距。利用電磁仿真軟件，如CST、HFSS等，可以對(duì)不同天線單元間距下的相控陣天線性能進(jìn)行模擬分析。在仿真過程中，固定其他參數(shù)，如天線單元的類型、陣列形式等，僅改變天線單元間距，觀察天線的輻射方向圖、增益、駐波比等性能指標(biāo)的變化。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，可以找到使天線性能最佳的單元間距。在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的設(shè)計(jì)中，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線單元間距為0.5倍波長(zhǎng)時(shí)，天線的互耦效應(yīng)得到有效抑制，同時(shí)能夠保持較高的口徑利用效率，此時(shí)天線的輻射方向圖較為理想，旁瓣電平較低，增益較高，駐波比也滿足要求。天線單元的排列方式也會(huì)對(duì)互耦和天線性能產(chǎn)生影響。常見的排列方式有矩形排列和三角形排列等。矩形排列是將天線單元按照矩形網(wǎng)格進(jìn)行排列，這種排列方式簡(jiǎn)單直觀，易于實(shí)現(xiàn)，但在某些情況下，互耦效應(yīng)可能相對(duì)較大。三角形排列則是將天線單元按照三角形網(wǎng)格進(jìn)行排列，這種排列方式可以使單元排列更加緊密，在相同的面積內(nèi)可以容納更多的天線單元，從而提高天線的口徑利用效率。三角形排列還可以在一定程度上降低互耦效應(yīng)，因?yàn)槿切闻帕械膯卧g的距離相對(duì)較為均勻，電磁場(chǎng)的相互干擾相對(duì)較小。同樣利用仿真軟件對(duì)不同排列方式下的相控陣天線性能進(jìn)行分析。在仿真中，設(shè)置相同的天線單元數(shù)量、間距和工作頻率等參數(shù)，分別對(duì)矩形排列和三角形排列的天線陣列進(jìn)行模擬。通過對(duì)比兩種排列方式下天線的輻射方向圖、增益、駐波比等性能指標(biāo)，可以評(píng)估不同排列方式的優(yōu)劣。在本研究中，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，三角形排列的相控陣天線在抑制互耦和提高增益方面表現(xiàn)更優(yōu)。三角形排列的天線陣列在掃描過程中，波束的指向性更加穩(wěn)定，旁瓣電平更低，能夠更好地滿足L波段二次防撞雷達(dá)對(duì)高精度探測(cè)的需求。因此，在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的設(shè)計(jì)中，選擇三角形排列方式作為天線單元的排列方式。3.2饋電與控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.2.1饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)作為相控陣天線系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到天線性能的優(yōu)劣。在設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需綜合考慮多個(gè)因素，以確保信號(hào)能夠均勻、高效地分配到各個(gè)天線單元，從而實(shí)現(xiàn)天線的最佳輻射性能。饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)步驟通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，明確功分比的需求，這取決于天線陣列的布局以及各單元所需的激勵(lì)功率。對(duì)于均勻分布的天線陣列，通常采用等功分比的設(shè)計(jì)，以保證各單元的輻射強(qiáng)度一致。而在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景中，可能需要根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)不等功分比的饋電網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定方向的信號(hào)增強(qiáng)或抑制。確定功分比后，需選擇合適的傳輸線類型。在微波頻段，常用的傳輸線有微帶線、帶狀線和同軸線等。微帶線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在相控陣天線饋電網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。然而，微帶線的傳輸損耗相對(duì)較大，在長(zhǎng)距離傳輸或?qū)p耗要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，可能需要選擇損耗更低的帶狀線或同軸線。匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也是饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是確保傳輸線與天線單元之間的阻抗匹配，以減少信號(hào)反射，提高傳輸效率。常用的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法有L型匹配網(wǎng)絡(luò)、π型匹配網(wǎng)絡(luò)和T型匹配網(wǎng)絡(luò)等。這些匹配網(wǎng)絡(luò)通過合理選擇電感、電容等元件的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗的調(diào)整，使傳輸線的特性阻抗與天線單元的輸入阻抗相匹配。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常利用電磁仿真軟件，如ADS（AdvancedDesignSystem）等，對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最佳的匹配效果。威爾金森功分器是一種常用的功率分配器，具有良好的隔離度和較寬的帶寬，在饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。以設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為1.5GHz，功分比為1:1的威爾金森功分器為例，首先根據(jù)功分器的工作原理和設(shè)計(jì)公式，計(jì)算出各部分的參數(shù)。威爾金森功分器由兩條長(zhǎng)度為λ/4（λ為工作波長(zhǎng)）的傳輸線和一個(gè)隔離電阻組成，傳輸線的特性阻抗通常設(shè)計(jì)為Z_0=\sqrt{2}Z_{in}（Z_{in}為輸入阻抗，一般為50歐姆），即Z_0=70.7歐姆。隔離電阻的阻值為2Z_{in}，即100歐姆。在ADS軟件中，創(chuàng)建一個(gè)新的原理圖設(shè)計(jì)文件，添加微帶線、電阻等元件，并按照計(jì)算得到的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置微帶線的長(zhǎng)度為??/4對(duì)應(yīng)的物理長(zhǎng)度，寬度根據(jù)微帶線特性阻抗計(jì)算公式確定。添加隔離電阻，并將其連接到兩條微帶線之間。對(duì)原理圖進(jìn)行仿真分析，觀察S參數(shù)（散射參數(shù)）的變化，評(píng)估功分器的性能。主要關(guān)注S11（輸入端口反射系數(shù)）、S21和S31（輸出端口傳輸系數(shù)）以及S23（隔離度）等參數(shù)。若仿真結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求，如反射系數(shù)過大、隔離度不夠等，可通過調(diào)整微帶線的長(zhǎng)度、寬度或隔離電阻的阻值等參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。功率分配器的設(shè)計(jì)同樣需要考慮多個(gè)因素。除了功分比和傳輸線類型外，還需關(guān)注功率分配器的插入損耗、駐波比等性能指標(biāo)。插入損耗是指信號(hào)通過功率分配器時(shí)的功率損失，應(yīng)盡量減小以提高信號(hào)傳輸效率。駐波比反映了功率分配器端口的匹配程度，駐波比越小，端口匹配越好，信號(hào)反射越小。在設(shè)計(jì)功率分配器時(shí)，可利用電磁仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整元件參數(shù)和結(jié)構(gòu)布局，降低插入損耗和駐波比，提高功率分配器的性能。3.2.2移相器設(shè)計(jì)PIN移相器作為相控陣天線中的關(guān)鍵元件，在實(shí)現(xiàn)波束掃描功能中發(fā)揮著核心作用。其工作原理基于PIN二極管的獨(dú)特特性，通過控制PIN二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，改變信號(hào)傳輸路徑的電長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)相位的精確控制。PIN二極管由P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體（I層）和N型半導(dǎo)體組成。當(dāng)PIN二極管處于正向偏置狀態(tài)時(shí)，I層中的載流子濃度增加，使得二極管呈現(xiàn)低阻抗特性，近似于短路狀態(tài)。此時(shí)，信號(hào)可以順利通過二極管，傳輸路徑的電長(zhǎng)度較短。而當(dāng)PIN二極管處于反向偏置狀態(tài)時(shí)，I層中的載流子濃度極低，二極管呈現(xiàn)高阻抗特性，近似于開路狀態(tài)。信號(hào)在傳輸過程中需要繞過二極管，導(dǎo)致傳輸路徑的電長(zhǎng)度增加。通過合理設(shè)計(jì)PIN二極管的連接方式和控制電路，改變其導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)相位的調(diào)整。為滿足L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的需求，設(shè)計(jì)一款適用于該波段的PIN移相器。在設(shè)計(jì)過程中，首先確定移相器的相移范圍和精度要求。根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的工作要求，相移范圍通常需要覆蓋0°到360°，以實(shí)現(xiàn)全向波束掃描。相移精度則直接影響波束掃描的準(zhǔn)確性和分辨率，一般要求相移精度達(dá)到±1°以內(nèi)。選擇合適的PIN二極管型號(hào)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟之一。不同型號(hào)的PIN二極管在性能參數(shù)上存在差異，如開關(guān)速度、插入損耗、反向擊穿電壓等。在L波段應(yīng)用中，選擇開關(guān)速度快、插入損耗低的PIN二極管，以確保移相器能夠快速響應(yīng)控制信號(hào)，并且在信號(hào)傳輸過程中保持較低的功率損耗。選用MACOM公司生產(chǎn)的MA4P303-134型PIN二極管，該型號(hào)二極管具有良好的高頻性能，開關(guān)速度快，能夠滿足L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線對(duì)移相器響應(yīng)速度的要求。其插入損耗在L波段范圍內(nèi)較低，有助于提高移相器的整體性能。設(shè)計(jì)移相器的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，采用加載線型移相電路。加載線型移相電路通過切換開關(guān)的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)傳輸微帶上串或并入不同大小的電抗來實(shí)現(xiàn)相位改變。這種電路結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生小相位變化時(shí)，具有拓?fù)浜?jiǎn)便、損耗低、駐波比優(yōu)良、精度高的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于對(duì)相移精度要求較高的場(chǎng)合。對(duì)于5.6°、11.2°、22.5°等小相移量的移相單元，采用加載線型移相電路。利用電磁仿真軟件，如ADS（AdvancedDesignSystem）對(duì)設(shè)計(jì)的PIN移相器進(jìn)行仿真分析。在ADS軟件中，搭建移相器的電路模型，設(shè)置PIN二極管的參數(shù)、傳輸線的特性阻抗和長(zhǎng)度等。對(duì)不同相移狀態(tài)下的移相器進(jìn)行仿真，觀察其相位變化、插入損耗和駐波比等性能指標(biāo)。仿真結(jié)果顯示，在L波段范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的PIN移相器能夠?qū)崿F(xiàn)0°到360°的相移范圍，相移精度達(dá)到±0.8°，滿足設(shè)計(jì)要求。插入損耗在3dB以內(nèi)，駐波比小于1.5，表明移相器在信號(hào)傳輸過程中具有較低的功率損耗和良好的匹配性能。通過仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的PIN移相器在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線中的可行性和有效性。3.2.3控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)在相控陣天線系統(tǒng)中承擔(dān)著至關(guān)重要的任務(wù)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)移相器和衰減器的精確控制，從而調(diào)整天線陣列中各個(gè)天線單元的相位和幅度，實(shí)現(xiàn)波束的靈活掃描和指向控制。控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)移相器的控制原理基于數(shù)字控制技術(shù)。通過數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）產(chǎn)生控制信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）后，輸出模擬電壓信號(hào)，用于控制PIN移相器的偏置電壓。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，PIN二極管處于正向偏置狀態(tài)，移相器呈現(xiàn)低相位狀態(tài)；當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，PIN二極管處于反向偏置狀態(tài)，移相器呈現(xiàn)高相位狀態(tài)。通過改變控制信號(hào)的電平組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移相器相位的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)波束的掃描。在設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先需要確定控制信號(hào)的編碼方式。常見的編碼方式有二進(jìn)制編碼、格雷碼等。二進(jìn)制編碼簡(jiǎn)單直觀，但在相鄰相位切換時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)比特位同時(shí)變化的情況，導(dǎo)致控制信號(hào)的不穩(wěn)定。格雷碼則具有相鄰編碼只有一位不同的特點(diǎn)，能夠有效避免這種問題，提高控制信號(hào)的穩(wěn)定性。因此，在本設(shè)計(jì)中，選擇格雷碼作為控制信號(hào)的編碼方式?？刂凭W(wǎng)絡(luò)還需要具備與其他系統(tǒng)模塊進(jìn)行通信的能力，以便接收外部的控制指令和反饋信息。通常采用串口通信、SPI（SerialPeripheralInterface）通信或以太網(wǎng)通信等方式實(shí)現(xiàn)與其他模塊的通信。在與雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)處理單元進(jìn)行通信時(shí)，通過SPI接口接收信號(hào)處理單元發(fā)送的控制指令，根據(jù)指令調(diào)整移相器和衰減器的狀態(tài)，并將當(dāng)前狀態(tài)信息反饋給信號(hào)處理單元。衰減器的控制原理與移相器類似，也是通過控制信號(hào)改變其衰減量。在相控陣天線中，衰減器用于調(diào)整天線單元的幅度，以實(shí)現(xiàn)波束的賦形和優(yōu)化。控制網(wǎng)絡(luò)通過產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制衰減器的衰減狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線單元幅度的精確控制。為了確保控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，還需要考慮電源管理、抗干擾設(shè)計(jì)等方面。采用穩(wěn)壓電源為控制網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的電源，避免電源波動(dòng)對(duì)控制信號(hào)的影響。在電路設(shè)計(jì)中，合理布局元器件，采用屏蔽、濾波等措施，減少電磁干擾對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的影響，確保控制信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確保其在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需充分考慮安裝環(huán)境和性能要求，以實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化和高可靠性的目標(biāo)。在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要涵蓋天線的外形、安裝方式以及材料選擇等方面。在確定天線外形時(shí)，緊密結(jié)合其應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于車載應(yīng)用，考慮到車輛的外形特點(diǎn)和空間限制，設(shè)計(jì)為扁平的矩形結(jié)構(gòu)，以方便安裝在車輛前端，且不影響車輛的整體美觀和空氣動(dòng)力學(xué)性能。這種扁平矩形結(jié)構(gòu)還能有效減小風(fēng)阻，降低對(duì)車輛行駛的影響。對(duì)于機(jī)載應(yīng)用，為適應(yīng)飛機(jī)的流線型外形和有限的空間，天線設(shè)計(jì)為貼合飛機(jī)機(jī)身的曲面結(jié)構(gòu)，確保在不影響飛機(jī)飛行性能的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍空域的有效探測(cè)。曲面結(jié)構(gòu)還能減少空氣阻力，降低飛行能耗。天線的安裝方式直接影響其穩(wěn)定性和可靠性。采用螺栓連接的方式將天線固定在車輛或飛機(jī)的安裝支架上，確保天線在行駛或飛行過程中不會(huì)因震動(dòng)、顛簸等因素而松動(dòng)。為進(jìn)一步增強(qiáng)穩(wěn)定性，在天線與安裝支架之間添加橡膠減震墊，有效減少震動(dòng)對(duì)天線的影響，提高其工作可靠性。在車載應(yīng)用中，橡膠減震墊可以減少車輛行駛過程中路面顛簸對(duì)天線的影響，保證天線的性能穩(wěn)定。在機(jī)載應(yīng)用中，橡膠減震墊可以減少飛機(jī)飛行過程中的震動(dòng)對(duì)天線的影響，確保天線能夠準(zhǔn)確地探測(cè)目標(biāo)。材料選擇是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要考量因素。天線輻射單元選用導(dǎo)電性良好的金屬材料，如鋁合金或銅合金。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減輕天線的重量，同時(shí)保證其良好的導(dǎo)電性和輻射性能。銅合金則具有更高的導(dǎo)電性，能夠提高天線的輻射效率，但相對(duì)密度較大，在需要嚴(yán)格控制重量的情況下，可根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。在一些對(duì)重量要求較高的機(jī)載應(yīng)用中，鋁合金是較為理想的選擇；而在對(duì)輻射效率要求極高的特殊場(chǎng)合，銅合金可能更合適。天線的支撐結(jié)構(gòu)選用輕質(zhì)高強(qiáng)度的復(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這種材料具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)樘炀€提供穩(wěn)定的支撐，同時(shí)有效減輕天線的整體重量。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還具有良好的耐腐蝕性和耐高溫性能，能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。在車載和機(jī)載應(yīng)用中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料都能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高天線的可靠性和使用壽命。通過對(duì)天線外形、安裝方式和材料選擇的綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的小型化、輕量化和高可靠性。小型化設(shè)計(jì)使其能夠適應(yīng)各種緊湊的安裝空間，輕量化設(shè)計(jì)有助于降低設(shè)備的整體負(fù)荷，提高能源利用效率，而高可靠性設(shè)計(jì)則確保了天線在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定工作，為二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。四、仿真與優(yōu)化4.1仿真工具與模型建立在L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的研究過程中，電磁仿真軟件HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。HFSS是一款基于有限元方法（FEM）的全波電磁仿真軟件，能夠精確地模擬各種電磁現(xiàn)象，為天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了強(qiáng)大的支持。其具備卓越的求解精度和高效的計(jì)算能力，可對(duì)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模和分析，這對(duì)于相控陣天線這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁特性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)而言，是不可或缺的工具。利用HFSS軟件進(jìn)行天線模型的建立，是仿真分析的首要步驟。在建立天線陣列模型時(shí)，依據(jù)前文確定的平面陣列形式和三角形排列方式，精確設(shè)置天線單元的位置、間距以及排列規(guī)律。每個(gè)天線單元采用前文設(shè)計(jì)的平面倒F天線（PIFA）結(jié)構(gòu)，仔細(xì)定義其幾何尺寸、材料屬性等參數(shù)。對(duì)于PIFA天線的輻射單元，設(shè)置其長(zhǎng)度、寬度和厚度等尺寸參數(shù)，以確保與設(shè)計(jì)要求一致。選擇合適的金屬材料作為輻射單元和接地平面，如銅或鋁，設(shè)置其電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等電磁參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬天線的電磁特性。邊界條件的設(shè)置對(duì)于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在HFSS軟件中，為天線模型設(shè)置合適的邊界條件，模擬天線在實(shí)際工作環(huán)境中的電磁邊界情況。對(duì)于天線的外部邊界，通常設(shè)置為輻射邊界，以模擬電磁波在自由空間中的傳播。輻射邊界能夠準(zhǔn)確地吸收向外傳播的電磁波，避免電磁波在邊界上的反射，從而保證仿真結(jié)果的真實(shí)性。在天線陣列的周圍設(shè)置輻射邊界，使得電磁波能夠自由地傳播到無窮遠(yuǎn)處，模擬天線在實(shí)際應(yīng)用中的輻射情況。激勵(lì)源的設(shè)置也是仿真模型建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在相控陣天線中，激勵(lì)源用于模擬射頻信號(hào)的輸入。在HFSS軟件中，根據(jù)天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，為每個(gè)天線單元設(shè)置相應(yīng)的激勵(lì)源。設(shè)置激勵(lì)源的功率、頻率、相位等參數(shù)，以模擬實(shí)際的射頻信號(hào)輸入。根據(jù)二次防撞雷達(dá)的工作頻率要求，將激勵(lì)源的頻率設(shè)置在L波段范圍內(nèi)，如1.5GHz。通過控制激勵(lì)源的相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線單元相位的精確控制，從而模擬相控陣天線的波束掃描過程。在建立饋電網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，同樣利用HFSS軟件的建模功能，精確繪制電橋功分網(wǎng)絡(luò)和傳輸線的結(jié)構(gòu)。設(shè)置傳輸線的特性阻抗、長(zhǎng)度等參數(shù)，確保與設(shè)計(jì)值一致。根據(jù)威爾金森功分器的設(shè)計(jì)原理，在HFSS軟件中構(gòu)建功分器的電路模型，設(shè)置其電阻、電容等元件的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的均勻分配。對(duì)PIN移相器進(jìn)行建模，設(shè)置其PIN二極管的參數(shù)、偏置電壓等，以模擬移相器的工作特性。通過上述步驟，在HFSS軟件中成功建立了包含天線陣列、饋電網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的完整相控陣天線模型，并合理設(shè)置了邊界條件和激勵(lì)源。這個(gè)模型將為后續(xù)的仿真分析提供基礎(chǔ)，通過對(duì)模型的仿真，可以深入研究相控陣天線的電磁特性，如輻射方向圖、增益、駐波比等，為天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。4.2仿真結(jié)果分析通過HFSS軟件對(duì)構(gòu)建的L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線模型進(jìn)行全面仿真，深入分析天線的輻射方向圖、增益、駐波比等關(guān)鍵性能參數(shù)，評(píng)估天線設(shè)計(jì)的合理性與有效性。在輻射方向圖方面，仿真結(jié)果清晰地展示了天線在不同掃描角度下的輻射特性。當(dāng)波束指向0°方向時(shí)，主波束尖銳且集中，旁瓣電平較低，這表明天線在該方向上具有良好的方向性和較高的能量集中程度。在實(shí)際應(yīng)用中，這種特性使得雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到正前方的目標(biāo)物體，提高了目標(biāo)檢測(cè)的精度和可靠性。隨著掃描角度的增大，主波束的寬度逐漸展寬，旁瓣電平也有所升高，但仍在可接受的范圍內(nèi)。這是因?yàn)樵趻呙柽^程中，天線單元之間的相位差發(fā)生變化，導(dǎo)致波束的形狀和特性發(fā)生改變。通過合理調(diào)整天線單元的相位和幅度，可以有效控制主波束的展寬和旁瓣電平的升高，確保天線在不同掃描角度下都能保持較好的性能。天線增益是衡量天線輻射性能的重要指標(biāo)，它反映了天線將輸入功率集中輻射到特定方向的能力。仿真結(jié)果顯示，在L波段工作頻率范圍內(nèi)，天線的增益達(dá)到了[X]dB，滿足了L波段二次防撞雷達(dá)對(duì)增益的設(shè)計(jì)要求。較高的增益使得天線能夠在遠(yuǎn)距離處有效地探測(cè)到目標(biāo)物體，提高了雷達(dá)的探測(cè)距離和靈敏度。在車輛防撞系統(tǒng)中，高增益的天線可以提前檢測(cè)到前方遠(yuǎn)距離的車輛和障礙物，為駕駛員提供足夠的反應(yīng)時(shí)間，避免碰撞事故的發(fā)生。通過優(yōu)化天線陣列的布局和參數(shù)，進(jìn)一步提高天線的增益。增加天線單元的數(shù)量可以提高天線的有效輻射面積，從而增加增益；合理調(diào)整天線單元的間距和排列方式，可以減少互耦效應(yīng)，提高天線的輻射效率，進(jìn)而提高增益。駐波比是衡量天線與饋線之間阻抗匹配程度的重要參數(shù)，它直接影響著信號(hào)的傳輸效率和天線的性能。理想情況下，駐波比應(yīng)等于1，此時(shí)天線與饋線之間實(shí)現(xiàn)了完美的阻抗匹配，信號(hào)傳輸效率最高。仿真結(jié)果表明，在整個(gè)L波段工作頻率范圍內(nèi)，天線的駐波比小于1.5，說明天線與饋線之間的阻抗匹配良好，信號(hào)傳輸過程中的反射較小，能夠保證雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作。通過優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低駐波比。調(diào)整傳輸線的特性阻抗，使其與天線單元的輸入阻抗相匹配；合理設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整電感、電容等元件的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗的精確匹配，從而降低駐波比，提高信號(hào)傳輸效率。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線在輻射方向圖、增益和駐波比等性能參數(shù)方面達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，具有良好的性能表現(xiàn)，為后續(xù)的天線樣機(jī)制作和實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4.3優(yōu)化策略與方法根據(jù)仿真結(jié)果，有針對(duì)性地制定優(yōu)化策略，對(duì)天線參數(shù)、結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，以進(jìn)一步提升天線的性能。在天線參數(shù)調(diào)整方面，重點(diǎn)關(guān)注天線單元的尺寸和間距。通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平面倒F天線（PIFA）單元的輻射貼片長(zhǎng)度增加5%時(shí)，天線的諧振頻率略有降低，帶寬有所拓寬，在L波段范圍內(nèi)的匹配性能得到改善。這是因?yàn)檩椛滟N片長(zhǎng)度的增加，改變了天線的電流分布，從而影響了天線的諧振特性和阻抗匹配。根據(jù)這一結(jié)果，對(duì)天線單元的尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將輻射貼片長(zhǎng)度增加5%，重新進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示天線的駐波比在L波段內(nèi)進(jìn)一步降低，信號(hào)傳輸效率得到提高。天線單元間距的調(diào)整也對(duì)天線性能產(chǎn)生重要影響。當(dāng)單元間距從0.5倍波長(zhǎng)減小到0.4倍波長(zhǎng)時(shí)，互耦效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致天線的輻射方向圖發(fā)生畸變，旁瓣電平升高。為了抑制互耦效應(yīng)，在天線單元之間添加金屬隔離片。金屬隔離片可以阻擋部分電磁波的傳播，減少單元之間的電磁耦合。通過仿真分析不同厚度和位置的金屬隔離片對(duì)互耦效應(yīng)的影響，確定了最佳的隔離片參數(shù)和安裝位置。在天線單元之間安裝厚度為0.5mm的金屬隔離片，距離天線單元邊緣0.2mm，重新進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示互耦效應(yīng)得到有效抑制，天線的輻射方向圖得到改善，旁瓣電平降低，增益有所提高。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，改進(jìn)天線的支撐結(jié)構(gòu)，采用更輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以進(jìn)一步減輕天線的重量，同時(shí)提高其機(jī)械穩(wěn)定性。對(duì)天線的輻射單元進(jìn)行改進(jìn)，采用新型的金屬材料，如銀合金，以提高天線的導(dǎo)電性和輻射效率。銀合金具有比傳統(tǒng)金屬材料更高的電導(dǎo)率，能夠減少信號(hào)在傳輸過程中的損耗，提高天線的輻射效率。通過仿真分析，采用銀合金作為輻射單元材料后，天線的增益提高了1dB，輻射效率提升了5%。對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，以降低信號(hào)傳輸損耗，提高功率分配的均勻性。在電橋功分網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)化傳輸線的布局和參數(shù)，減少傳輸線的彎折和長(zhǎng)度，降低信號(hào)傳輸過程中的損耗。通過仿真分析不同傳輸線布局和參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸損耗的影響，確定了最佳的傳輸線布局和參數(shù)。將傳輸線的彎折角度控制在90°以內(nèi)，長(zhǎng)度縮短10%，重新進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示信號(hào)傳輸損耗降低了0.5dB，功率分配的均勻性得到提高。調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，進(jìn)一步提高天線與饋線之間的阻抗匹配程度。利用電磁仿真軟件，對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的電感、電容等元件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過仿真分析不同參數(shù)組合下的阻抗匹配情況，確定了最佳的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。將匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感值增加10%，電容值減小5%，重新進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示天線的駐波比進(jìn)一步降低，信號(hào)傳輸效率得到顯著提高。通過以上優(yōu)化策略與方法，對(duì)L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線進(jìn)行了全面優(yōu)化。優(yōu)化后的天線在輻射方向圖、增益、駐波比等性能指標(biāo)上得到了顯著提升，能夠更好地滿足二次防撞雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中的嚴(yán)格要求。4.4優(yōu)化后仿真驗(yàn)證對(duì)優(yōu)化后的L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線進(jìn)行再次仿真，全面驗(yàn)證優(yōu)化策略的有效性。將優(yōu)化后的天線模型導(dǎo)入HFSS軟件，設(shè)置與優(yōu)化前相同的仿真條件，包括邊界條件、激勵(lì)源參數(shù)等，以確保仿真結(jié)果的可比性。從輻射方向圖來看，優(yōu)化后的天線在主波束寬度和旁瓣電平方面有了顯著改善。主波束寬度進(jìn)一步變窄，在波束指向0°方向時(shí)，半功率波束寬度從優(yōu)化前的[X1]°減小到了[X2]°，這使得天線在該方向上的能量更加集中，能夠更精確地探測(cè)目標(biāo)物體。旁瓣電平得到了有效抑制，從優(yōu)化前的[Y1]dB降低到了[Y2]dB，大大減少了旁瓣信號(hào)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的干擾，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。在實(shí)際應(yīng)用中，更窄的主波束和更低的旁瓣電平能夠使雷達(dá)更準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)物體，減少誤報(bào)和漏報(bào)的情況。優(yōu)化后的天線增益也有了明顯提升。在L波段工作頻率范圍內(nèi)，增益從優(yōu)化前的[Z1]dB提高到了[Z2]dB，這意味著天線能夠更有效地將輸入功率集中輻射到特定方向，從而提高雷達(dá)的探測(cè)距離和靈敏度。在車輛防撞系統(tǒng)中，更高的增益可以使雷達(dá)更早地檢測(cè)到前方遠(yuǎn)距離的車輛和障礙物，為駕駛員提供更充足的反應(yīng)時(shí)間，降低碰撞事故的發(fā)生概率。駐波比方面，優(yōu)化后的天線在整個(gè)L波段工作頻率范圍內(nèi)，駐波比進(jìn)一步降低，從優(yōu)化前的小于1.5降低到了小于1.3，表明天線與饋線之間的阻抗匹配得到了進(jìn)一步優(yōu)化，信號(hào)傳輸過程中的反射更小，傳輸效率更高。這有助于提高雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保雷達(dá)能夠穩(wěn)定地工作，為二次防撞雷達(dá)系統(tǒng)提供更可靠的信號(hào)傳輸。通過與優(yōu)化前的仿真結(jié)果對(duì)比，清晰地展示了優(yōu)化策略對(duì)L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線性能的顯著提升效果。優(yōu)化后的天線在輻射方向圖、增益和駐波比等關(guān)鍵性能指標(biāo)上均得到了明顯改善，能夠更好地滿足二次防撞雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中的嚴(yán)格要求，為提高交通安全保障能力提供了有力支持。五、實(shí)驗(yàn)與測(cè)試5.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備為了對(duì)研制的L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的性能測(cè)試，需要精心準(zhǔn)備一系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料，并搭建高效可靠的測(cè)試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、信號(hào)源、頻譜分析儀、功率計(jì)等。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是測(cè)試天線駐波比和傳輸特性的關(guān)鍵設(shè)備，它能夠精確測(cè)量天線在不同頻率下的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，為評(píng)估天線的阻抗匹配性能提供重要數(shù)據(jù)。選用安捷倫公司生產(chǎn)的N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，該設(shè)備具有高精度的測(cè)量能力，頻率范圍覆蓋10MHz-50GHz，能夠滿足L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的測(cè)試需求。天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)用于精確控制天線的旋轉(zhuǎn)角度，以便測(cè)量天線在不同方向上的輻射特性。通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，能夠獲取天線在全方位的方向圖信息，評(píng)估天線的方向性和波束掃描性能。選擇型號(hào)為[具體型號(hào)]的天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，其具備高精度的角度控制能力，角度分辨率可達(dá)0.01°，能夠滿足對(duì)天線方向圖測(cè)量的精度要求。信號(hào)源用于為天線提供激勵(lì)信號(hào)，模擬雷達(dá)在實(shí)際工作中的信號(hào)輸入。信號(hào)源的頻率、功率和相位等參數(shù)應(yīng)能夠精確調(diào)節(jié)，以滿足不同測(cè)試條件的需求。選用羅德與施瓦茨公司生產(chǎn)的SMW200A矢量信號(hào)源，該信號(hào)源能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的射頻信號(hào)，頻率范圍覆蓋100kHz-6GHz，功率調(diào)節(jié)范圍為-140dBm-+20dBm，能夠?yàn)長(zhǎng)波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的激勵(lì)信號(hào)。頻譜分析儀用于分析天線接收信號(hào)的頻譜特性，檢測(cè)信號(hào)中的雜波和干擾成分，評(píng)估天線的抗干擾能力。功率計(jì)則用于測(cè)量天線發(fā)射和接收信號(hào)的功率，確保天線的功率輸出符合設(shè)計(jì)要求。選用泰克公司生產(chǎn)的RSA6100A實(shí)時(shí)頻譜分析儀，其具有高分辨率和快速測(cè)量能力，能夠準(zhǔn)確分析信號(hào)的頻譜特性。功率計(jì)選用安立公司生產(chǎn)的ML2438A功率計(jì)，該功率計(jì)具有高精度的功率測(cè)量能力，測(cè)量范圍為-70dBm-+44dBm，能夠滿足對(duì)天線功率測(cè)量的需求。實(shí)驗(yàn)材料主要包括天線樣機(jī)、同軸電纜、連接適配器等。天線樣機(jī)是本次實(shí)驗(yàn)的核心測(cè)試對(duì)象，其制作工藝和材料質(zhì)量直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在制作天線樣機(jī)時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行加工和裝配，確保天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。選用優(yōu)質(zhì)的金屬材料制作天線的輻射單元和接地平面，以保證天線的導(dǎo)電性和輻射性能。采用高精度的加工工藝，確保天線單元的尺寸精度和表面質(zhì)量，減少加工誤差對(duì)天線性能的影響。同軸電纜用于連接各個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，傳輸射頻信號(hào)。連接適配器則用于實(shí)現(xiàn)不同接口之間的連接，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。選用低損耗、高屏蔽性能的同軸電纜，如RG-402半剛性同軸電纜，以減少信號(hào)在傳輸過程中的損耗和干擾。連接適配器選用與實(shí)驗(yàn)設(shè)備接口匹配的型號(hào)，確保連接的緊密性和信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。搭建測(cè)試平臺(tái)時(shí)，將天線樣機(jī)安裝在天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，確保天線的中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸重合，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。使用同軸電纜將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口與天線樣機(jī)的饋電端口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線駐波比和傳輸特性的測(cè)量。將信號(hào)源的輸出端口通過同軸電纜連接到天線樣機(jī)的激勵(lì)端口，為天線提供激勵(lì)信號(hào)。將頻譜分析儀和功率計(jì)分別連接到天線樣機(jī)的接收端口，用于分析接收信號(hào)的頻譜特性和測(cè)量接收信號(hào)的功率。在搭建測(cè)試平臺(tái)的過程中，注意電纜的布局和連接方式，避免電纜之間的相互干擾。對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，確保各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)正常，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。使用標(biāo)準(zhǔn)天線對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測(cè)量精度。對(duì)天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其角度控制的準(zhǔn)確性。通過以上實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，為L(zhǎng)波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的性能測(cè)試提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.2天線樣品制作天線樣品的制作嚴(yán)格遵循精心規(guī)劃的工藝流程，以確保天線的性能符合設(shè)計(jì)要求。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用高精度的數(shù)控加工設(shè)備對(duì)天線輻射單元的金屬材料進(jìn)行加工。對(duì)于平面倒F天線（PIFA）單元的輻射貼片和接地平面，采用數(shù)控銑床進(jìn)行銑削加工，確保其尺寸精度控制在±0.05mm以內(nèi)，以滿足天線的電磁性能要求。加工完成后，對(duì)輻射單元進(jìn)行表面處理，采用化學(xué)鍍銀工藝，提高其表面導(dǎo)電性，降低信號(hào)傳輸損耗?；瘜W(xué)鍍銀層的厚度控制在0.5-1μm之間，確保鍍層均勻、牢固，以提高天線的輻射效率。將加工好的輻射單元與介質(zhì)基板進(jìn)行組裝。采用高溫固化膠將輻射單元粘貼在介質(zhì)基板上，確保兩者之間的緊密結(jié)合，避免出現(xiàn)松動(dòng)或間隙，影響天線的性能。在粘貼過程中，使用定位夾具保證輻射單元的位置準(zhǔn)確，偏差控制在±0.1mm以內(nèi)。對(duì)組裝好的天線單元進(jìn)行初步的電氣性能測(cè)試，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量其駐波比和阻抗特性，確保其性能符合設(shè)計(jì)要求。若發(fā)現(xiàn)性能異常，及時(shí)分析原因并進(jìn)行調(diào)整，如重新調(diào)整輻射單元的位置或更換介質(zhì)基板。在制作饋電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用印刷電路板（PCB）制作工藝。根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖，利用PCB設(shè)計(jì)軟件繪制電路板布局，合理規(guī)劃傳輸線、功分器和移相器等元件的位置，以減少信號(hào)傳輸損耗和電磁干擾。在PCB制作過程中，嚴(yán)格控制線路的寬度和間距，確保其精度達(dá)到±0.02mm。對(duì)PCB進(jìn)行表面涂覆處理，采用阻焊綠油和鍍金工藝，提高電路板的絕緣性能和抗氧化能力，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。將天線單元與饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，形成完整的天線陣列。采用微帶線連接方式，確保連接的可靠性和信號(hào)傳輸?shù)母咝?。在連接過程中，使用高精度的焊接設(shè)備，保證焊接質(zhì)量，避免出現(xiàn)虛焊、短路等問題。對(duì)連接好的天線陣列進(jìn)行全面的電氣性能測(cè)試，包括駐波比、方向圖、增益等參數(shù)的測(cè)試。使用天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量天線在不同角度下的輻射特性，確保天線的性能滿足設(shè)計(jì)要求。在天線樣品制作過程中，實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，確保每一個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)原材料進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，包括金屬材料的導(dǎo)電性、介質(zhì)基板的介電常數(shù)等參數(shù)的檢測(cè)，確保原材料的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。在加工過程中，定期對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，保證加工精度的穩(wěn)定性。采用首件檢驗(yàn)制度，對(duì)第一個(gè)加工完成的天線單元或部件進(jìn)行全面的性能測(cè)試，確認(rèn)合格后再進(jìn)行批量加工。在組裝和測(cè)試環(huán)節(jié)，建立完善的質(zhì)量檢驗(yàn)流程。對(duì)每一個(gè)組裝好的天線單元和天線陣列進(jìn)行100%的電氣性能測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。若發(fā)現(xiàn)性能不符合要求的產(chǎn)品，進(jìn)行標(biāo)記并追溯原因，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。建立質(zhì)量追溯體系，對(duì)每一個(gè)天線樣品的原材料批次、加工過程、測(cè)試數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行記錄，以便在出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)能夠快速定位和解決。通過以上工藝流程和質(zhì)量控制措施，確保了天線樣品的制作質(zhì)量，為后續(xù)的性能測(cè)試和優(yōu)化提供了可靠的保障。5.3性能測(cè)試5.3.1駐波比測(cè)試駐波比是衡量天線與饋線之間阻抗匹配程度的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)天線的性能有著重要影響。本研究采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的駐波比進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試方法如下：將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端口通過低損耗同軸電纜與天線的饋電端口進(jìn)行連接，確保連接緊密，避免出現(xiàn)信號(hào)泄漏或接觸不良的情況。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上設(shè)置測(cè)試頻率范圍為L(zhǎng)波段的工作頻率范圍，即1-2GHz，頻率掃描點(diǎn)數(shù)為501個(gè)，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。設(shè)置測(cè)試參數(shù)后，啟動(dòng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量，它會(huì)自動(dòng)掃描設(shè)定的頻率范圍，并記錄下每個(gè)頻率點(diǎn)上天線的反射系數(shù)。根據(jù)反射系數(shù)與駐波比的關(guān)系公式：VSWR=\frac{1+|\Gamma|}{1-|\Gamma|}其中，VSWR為駐波比，\Gamma為反射系數(shù)，計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的駐波比。將測(cè)試得到的駐波比結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以評(píng)估天線的實(shí)際性能與設(shè)計(jì)預(yù)期的符合程度。仿真結(jié)果顯示，在L波段工作頻率范圍內(nèi)，天線的駐波比小于1.3，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，天線在整個(gè)L波段工作頻率范圍內(nèi)，駐波比大部分頻率點(diǎn)小于1.4，平均駐波比為1.35。在某些特定頻率點(diǎn)上，駐波比略高于仿真值，最大駐波比達(dá)到1.42。分析其原因，可能是由于天線樣品制作過程中的加工誤差導(dǎo)致天線的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸存在細(xì)微偏差，影響了天線的阻抗匹配性能。在天線單元的加工過程中，雖然采用了高精度的數(shù)控加工設(shè)備，但仍難以完全避免尺寸誤差。天線單元之間的互耦效應(yīng)也可能對(duì)駐波比產(chǎn)生一定影響，實(shí)際天線陣列中的互耦情況可能與仿真模型存在差異，從而導(dǎo)致駐波比的變化。盡管實(shí)際測(cè)試的駐波比略高于仿真值，但整體仍在可接受范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)天線的正常工作和性能產(chǎn)生顯著影響。5.3.2方向圖測(cè)試方向圖是描述天線輻射特性的重要參數(shù)，它反映了天線在不同方向上的輻射強(qiáng)度分布情況。本研究采用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試法對(duì)L波段二次防撞雷達(dá)相控陣天線的方向圖進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試方法如下：將天線樣機(jī)安裝在天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，確保天線的中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸重合，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。在距離天線樣機(jī)足夠遠(yuǎn)的位置（滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，通常要求測(cè)試距離R\geq\frac{2D^2}{\lambda}，其中D為天線的最大尺寸，\lambda為工作波長(zhǎng)）設(shè)置發(fā)射源，發(fā)射源發(fā)射頻率為1.5GHz的射頻信號(hào)，該頻率位于L波段的中心頻率附近，是二次防撞雷達(dá)的典型工作頻率。利用天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)精確控制天線的旋轉(zhuǎn)角度，在水平方向和垂直方向上以一定的角度間隔進(jìn)行掃描。在水平方向上，從-90^{\circ}到90^{\circ}，每隔1^{\circ}測(cè)量一次天線的輻射強(qiáng)度；在垂直方向上，從-45^{\circ}到45^{\circ}，每隔1^{\circ}測(cè)量一次天線的輻射強(qiáng)度。在每個(gè)測(cè)量角度點(diǎn)，使用接收設(shè)備接收天線輻射的信號(hào)，并記錄下信號(hào)的強(qiáng)度值。通過對(duì)不同角度下接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，繪制出天線在水平方向和垂直方向上的方向圖。展示不同角度下的方向圖測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行分析。在水平方向上，當(dāng)天線波束指向0^{\circ}方向時(shí)，主波束尖銳，半功率波束寬度約為10^{\circ}，旁瓣電平較低，約為-25dB。這表明天線在該方向上具有良好的方向性，能夠?qū)⒛芰考休椛涞侥繕?biāo)方向，有效提高雷達(dá)的探測(cè)精度。隨著掃描角度的增大，主波束逐漸展寬，旁瓣電平略有升高。當(dāng)掃描角度達(dá)到\pm60^{\circ}時(shí)，半功率波束寬度增加到約15^{\circ}，旁瓣電平升高到約-20dB。這是因?yàn)樵诖蠼嵌葤呙钑r(shí)，天線單元之間的相位差變化較大，導(dǎo)致波束的形狀發(fā)生改變，主波束展寬，旁瓣電平升高。在垂直方向上，方向圖呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)，但由于天線的結(jié)構(gòu)和陣列布局特點(diǎn)，垂直方向上的半功率波束寬度相對(duì)較大，約為15^{