相控陣天線理論和技術(shù)

本書著重介紹四種實用的饋相方法，即指向修正法、移位饋相法、隨機饋相法以及移位加權(quán)饋相法，并分析各種方法的饋相效果及優(yōu)缺點。文中還介紹幾種通過控制相位實現(xiàn)主波束賦形及副瓣賦形的方法。

為便于理解相控陣天線在雷達(dá)上的應(yīng)用，還介紹了正弦空間坐標(biāo)及其坐標(biāo)變換、雷達(dá)坐標(biāo)系及其對天線測量的影響，最后介紹幾種相控陣天線的工程實例。

第1章天線問題的電磁場理論基礎(chǔ) 1

1.1麥克斯韋方程和邊界條件 1

1.2位函數(shù) 2

1.2.1交變電磁場方程的直接解法2

1.2.2交變電磁場中的位函數(shù)A、φ3

1.2.3交變電磁場中的位函數(shù)A*、φ3

1.2.4Hertz位Π3

1.2.5Π4

1.3格林公式 5

1.4非均勻波動方程的解 5

1.5無限均勻空間內(nèi)的電磁場 8

1.6電偶極子的輻射場 9

1.7線振子的輻射場 10

1.8邊界值問題 12

第2章天線陣的基本理論14

2.1天線輻射的方向特性 14

2.2直線陣 15

2.2.1直線陣的方向圖15

2.2.2直線陣波束的掃描16

2.2.3直線陣的波束寬度17

2.2.4直線陣的方向性系數(shù)17

2.3平面陣 17

2.3.1平面陣的方向圖17

2.3.2平面陣的波束指向18

2.3.3平面陣的波束寬度19

2.3.4平面陣的方向性系數(shù)19

2.3.5平面陣波束寬度面積與方向性系數(shù)的乘積19

第3章輻射單元對陣列天線性能的影響20

3.1理想的輻射單元 20

3.2輻射單元方向性引起的波束指向誤差 20

3.3輻射單元方向性對差波束斜率的影響21

第4章陣列天線的隨機誤差及其對波束指向的影響23

4.1陣列天線隨機誤差及其對波束指向的影響 23

4.2線陣隨機誤差引起的差波束電軸偏移 26

4.2.1串聯(lián)饋電27

4.2.2并聯(lián)饋電28

4.3平面陣隨機誤差引起的指向誤差 28

第5章數(shù)字式移相器的應(yīng)用及其帶來的問題29

5.1應(yīng)用數(shù)字式移相器的基本原理 29

5.1.1數(shù)字式移相器29

5.1.2最小相移量與波束掃描步進(jìn)角的關(guān)系29

5.2相位量化對天線增益的影響 30

5.2.1相位量化方式30

5.2.2相位量化誤差對增益的影響30

5.3相位量化引起的波束指向誤差 31

5.3.1相位量化誤差31

5.3.2相位量化引起的指向誤差32

5.4相位量化引起的量化副瓣 34

第6章饋相方法36

6.1指向修正饋相法 36

6.2移位饋相法 37

6.3隨機饋相法 38

6.3.1波束均值無指向誤差隨機饋相38

6.3.2相位誤差均值為零法39

6.4移位加權(quán)饋相法 40

6.4.1相位誤差與波束指向誤差40

6.4.2移位加權(quán)饋相方程41

6.4.3波束控制計算機相位的字長42

6.4.4減少移相器位數(shù)，降低相陣成本42

6.4.5應(yīng)用42

6.5饋相方程的通用形式 43

6.6饋相效果 44

6.6.1指向誤差44

6.6.2量化副瓣電平45

6.6.3結(jié)論45

第7章互耦問題47

7.1兩個薄片振子之間的互阻抗 47

7.2偶極子陣的有源阻抗 48

7.2.1有源阻抗的概念48

7.2.2有源阻抗的分析方法48

7.3互耦對單元方向圖的影響 53

7.3.1互耦的存在改變理想單元的概念 53

7.3.2單元陣中的方向圖53

7.4互耦的積累效應(yīng) 54

7.5互耦效應(yīng)的實驗研究方法 56

7.5.1波導(dǎo)模擬器法56

7.5.2小陣法59

7.5.3周期性邊界法59

7.6寬角匹配問題 61

7.6.1饋線中實現(xiàn)寬角匹配61

7.6.2在自由空間區(qū)實現(xiàn)寬角匹配61

7.7互耦問題的數(shù)值分析方法 62

7.7.1矩量法及線天線互耦問題62

7.7.2矩形開口波導(dǎo)陣的互耦問題66

第8章加權(quán)陣列74

8.1密度加權(quán)陣列與幅度加權(quán)陣的等效 74

8.2環(huán)柵陣 75

8.2.1環(huán)柵陣的幾何關(guān)系75

8.2.2環(huán)柵陣的方向圖陣因子76

8.2.3環(huán)柵陣的柵瓣特性76

8.3有幅度加權(quán)的密度加權(quán)陣的統(tǒng)計設(shè)計 77

8.4相位加權(quán)陣列天線 80

第9章相控陣的高頻饋電網(wǎng)絡(luò)83

9.1光學(xué)饋電系統(tǒng) 83

9.2網(wǎng)絡(luò)饋電系統(tǒng) 84

9.2.1串聯(lián)饋電系統(tǒng)84

9.2.2并聯(lián)饋電系統(tǒng)85

9.2.3子陣饋電86

第10章數(shù)字式移相器87

10.1閉鎖式鐵氧體數(shù)字移相器 87

10.1.1閉鎖式波導(dǎo)鐵氧體數(shù)字移相器87

10.1.2閉鎖式微帶鐵氧體數(shù)字移相器95

10.2PIN二極管移相器 98

10.2.1PIN二極管的基本特性及其等效電路98

10.2.2PIN二極管的選用99

10.2.3PIN 二極管移相器100

10.2.4高通-低通型移相器111

10.2.5螺旋反射型移相器112

10.2.6常用PIN二極管移相器的主要性能比較114

10.3鐵氧體數(shù)字移相器和PIN二極管移相器性能比較 115

第11章相控陣天線的可靠性117

11.1故障的統(tǒng)計特性 117

11.1.1{gn}的概率密度117

11.1.2{Xn}的概率密度117

11.2輻射場的統(tǒng)計特性 119

11.3數(shù)字移相器故障對陣性能的影響 121

11.4單元饋電故障對陣性能的影響 122

11.5相陣天線的平均故障時間 122

第12章 相控陣天線的波束賦形變換123

12.1引言 123

12.2Davies 陣 123

12.3信噪比最佳方法 125

12.4控相形成有指定零點的方向圖 127

12.5給定約束條件的優(yōu)化方法 130

12.6主波束賦形的相位子陣法 132

第13章陣列正弦空間坐標(biāo)及坐標(biāo)系變換135

13.1陣列正弦空間坐標(biāo) 135

13.2陣列坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的變換 136

13.2.1陣列俯仰傾斜137

13.2.2偏離正北137

13.2.3陣列俯仰傾斜又偏離正北137

13.3天線中常見的坐標(biāo)變換 139

13.4歐拉角 140

13.5雷達(dá)坐標(biāo)系對相控陣天線測量的影響 141

第14章工程實例144

14.1相頻掃天線 144

14.1.1設(shè)計要求144

14.1.2方案144

14.2一維相掃單脈沖波導(dǎo)窄邊裂縫陣天線 145

14.3強制饋電的兩維相掃相控陣天線 147

14.4固態(tài)實驗相控陣天線 149

14.5徑向功率分配器饋電的平面相控陣天線 149

14.6一種有限掃描相控陣天線 150

14.7移動衛(wèi)星通信天線技術(shù) 151

14.7.1"動衛(wèi)通"的跟蹤方案152

14.7.2低輪廓的移動衛(wèi)星通信設(shè)備153

14.7.3低輪廓"動衛(wèi)通"掃描天線實例155

附錄A磁場與磁流的關(guān)系159

附錄B并矢格林函數(shù)160

附錄C含有雙片橫向磁化鐵氧體的矩形波導(dǎo)的傳播常數(shù)方程--特征方程163

參考文獻(xiàn) 165"

書名相控陣天線理論和技術(shù)

書號978-7-118-09748-1

作者李知新

出版時間2015年1月

譯者

版次1版1次

開本16

裝幀平裝

出版基金

頁數(shù)166

字?jǐn)?shù)246

中圖分類TN821

叢書名

定價50.00

不同廠家超聲相控陣設(shè)備的功能、操作及顯示方式等各不相同，但是檢測應(yīng)用基本相同。本文現(xiàn)以以色列Sonotron NDT 公司生產(chǎn)的相控陣設(shè)備(即ISONIC-UPA) 應(yīng)用為例來分析介紹。ISONIC-UPA 設(shè)備有其獨特的技術(shù)特點和優(yōu)勢，不同于其他廠家的相控陣設(shè)備，體現(xiàn)了超前的理念。

1 角度補償

傳統(tǒng)工業(yè)相控陣定量方法不具有角度、聲程、晶片增益修正技術(shù)，多晶片探頭通過楔塊入射到工件內(nèi)部時存在入射點漂移現(xiàn)象和能量分布變化。采用單一入射點校準(zhǔn)方式與常規(guī)距離-波幅曲線修正，造成的扇形掃查區(qū)域中能量分布不均勻及測量誤差等問題未能有效解決，如圖7 所示。而ISONIC-UPA 相控陣設(shè)備具有角度補償功能，能有效地解決此類問題。

所謂角度補償就是針對不同的聚焦法則，輸入扇形掃查所需的角度范圍及入射角度的增量后，晶片可以分別進(jìn)行角度增益調(diào)整，也就是晶片角度增益修正。

有了角度增益補償設(shè)置功能，可以取代傳統(tǒng)的通過設(shè)置DAC曲線的方法來補償增益變化。在ASME Case2557 標(biāo)準(zhǔn)中明確指出進(jìn)行扇形掃描時要進(jìn)行角度增益補償。角度增益補償曲線如圖8所示，經(jīng)過角度補償后得到的等量化數(shù)據(jù)。

2 二次波顯示

傳統(tǒng)相控陣扇形掃查采用單純的聲程顯示，不能顯示缺陷的真實位置。這種成像模式將處在二次波位置上的缺陷轉(zhuǎn)換成一次波位置進(jìn)行成像顯示，給分辨缺陷的具體位置增加難度，不能直觀給出缺陷真實位置。對于檢測角焊縫、T 形焊縫、K形焊縫及Y 形焊縫無法顯示真實成像結(jié)果，使該成像模式的應(yīng)用受到限制，僅能用于檢測對接接頭。

而ISONIC-UPA 采用二次波檢測成像顯示模式，成像結(jié)果與真實幾何結(jié)構(gòu)一致。這種成像模式能直觀顯示缺陷的位置及被檢工件焊縫的真實結(jié)構(gòu)，這是聲程顯示成像模式無法比擬的。

第1章 相控陣?yán)走_(dá)T/R組件概述……1

1.1 引言……1

1.2 相控陣?yán)走_(dá)……1

1.2.1 無源相控陣?yán)走_(dá)……5

1.2.2 有源相控陣?yán)走_(dá)……6

1.3 相控陣?yán)走_(dá)T/R組件……9

1.3.1 典型框圖……10

1.3.2 工作原理……10

1.3.3 主要部件的作用……13

1.4 一維相掃雷達(dá)T/R組件……16

1.4.1 天線陣面典型框圖……16

1.4.2 T/R組件技術(shù)特點……16

1.5 兩維相掃雷達(dá)T/R組件……18

1.5.1 天線陣面典型框圖……18

1.5.2 T/R組件技術(shù)特點……18

1.6 實用T/R組件舉例……20

1.6.1 基本工作原理……21

1.6.2 主要技術(shù)指標(biāo)……21

1.6.3 結(jié)構(gòu)與工藝……22

1.7 相控陣?yán)走_(dá)T/R組件新進(jìn)展……24

1.7.1 數(shù)字T/R組件……26

1.7.2 多極化組件……27

參考文獻(xiàn)……30

第2章 T/R組件的理論基礎(chǔ)……31

2.1 引言……31

2.2 微波技術(shù)基礎(chǔ)……31

2.2.1 均勻傳輸線方程及其穩(wěn)態(tài)解……31

2.2.2 輸入阻抗、反射系數(shù)和電壓駐波比……33

2.2.3 史密斯圓圖及傳輸線的阻抗匹配……36

2.3 常用傳輸線……39

2.3.1 集膚效應(yīng)和損耗……39

2.3.2 微帶線……41

2.3.3 其他傳輸線……44

2.4 半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)……45

2.4.1 本征和非本征半導(dǎo)體……45

2.4.2 半導(dǎo)體的基本方程……45

2.4.3 PN結(jié)器件……47

2.4.4 金屬-半導(dǎo)體接觸器件……55

參考文獻(xiàn)……67

第3章 T/R組件中基本的微波元件……68

3.1 引言……68

3.2 無源器件……69

3.2.1 耦合器……69

3.2.2 電橋……72

3.2.3 混合接頭……73

3.2.4 功率分配器……74

3.2.5 濾波器……75

3.2.6 均衡器……76

3.3 微波開關(guān)……78

3.3.1 PIN二極管開關(guān)……78

3.3.2 肖特基二極管開關(guān)……83

3.3.3 場效應(yīng)管開關(guān)……83

3.3.4 MEMS開關(guān)……84

3.4 微波限幅器……85

3.4.1 有源限幅器……85

3.4.2 無源限幅器……86

3.4.3 混合式限幅器……86

3.5 微波數(shù)控衰減器……86

3.5.1 PIN二極管微波數(shù)控衰減器……87

3.5.2 GaAsMESFET管微波數(shù)控衰減器……90

3.6 微波數(shù)控移相器……91

3.6.1 一般介紹……91

3.6.2 開關(guān)線移相器……92

3.6.3 加載線移相器……93

3.6.4 反射式移相器……95

3.6.5 高低通式移相器……97

3.7 微波低噪聲放大器……99

3.7.1 單端微波低噪聲放大器……99

3.7.2 平衡式微波低噪聲放大器……103

3.8 微波功率放大器……104

3.8.1 硅晶體管微波功率放大器……104

3.8.2 場效應(yīng)管微波功率放大器……105

3.9 微波環(huán)行器、隔離器……106

參考文獻(xiàn)……108

第4章 T/R組件設(shè)計技術(shù)……110

4.1 引言……110

4.2 T/R組件的組成和工作原理……110

4.2.1 組成框圖……110

4.2.2 工作原理……111

4.3 T/R組件的主要功能和技術(shù)要求……112

4.3.1 T/R組件的主要功能……112

4.3.2 T/R組件的主要技術(shù)要求……114

4.3.3 T/R組件的主要技術(shù)指標(biāo)……117

4.4 T/R組件設(shè)計……124

4.4.1 T/R組件電信設(shè)計……124

4.4.2 T/R組件結(jié)構(gòu)設(shè)計……149

4.4.3 T/R組件電磁兼容設(shè)計……154

4.4.4 T/R組件可靠性設(shè)計……156

4.5 實用T/R組件舉例……160

4.6 T/R組合的基本組成和工作原理……164

4.6.1 組成框圖……164

4.6.2 工作原理……164

4.7 T/R組合的主要技術(shù)要求……165

4.8 T/R組合的設(shè)計……165

4.8.1 T/R組合系統(tǒng)噪聲的計算……166

4.8.2 子陣組件的設(shè)計……167

4.8.3 實時延遲器的設(shè)計……168

4.8.4 子陣電源的設(shè)計……171

4.9 實用T/R組合舉例……178

參考文獻(xiàn)……179

第5章 T/R組件制造技術(shù)……181

5.1 引言……181

5.2 T/R組件微波電路基板制造技術(shù)……181

5.2.1 微波復(fù)合介質(zhì)電路基板制造技術(shù)……182

5.2.2 微波低溫共燒陶瓷多層電路基板制造技術(shù)……187

5.2.3 微波薄膜多層電路基板制造技術(shù)……192

5.3 T/R組件殼體加工技術(shù)……200

5.3.1 精密數(shù)控加工技術(shù)……200

5.3.2 超塑成型技術(shù)……202

5.3.3 精密壓鑄技術(shù)……205

5.3.4 精密拼裝技術(shù)……207

5.4 T/R組件組裝技術(shù)……208

5.4.1 以元器件級為主的T/R組件組裝技術(shù)……208

5.4.2 含裸芯片的T/R組件微組裝技術(shù)……217

5.5 T/R組件密封技術(shù)……226

5.5.1 概述……226

5.5.2 膠粘劑密封……227

5.5.3 襯墊密封……228

5.5.4 軟釬焊密封……228

5.5.5 玻璃金屬封接……231

5.5.6 平行縫焊……232

5.5.7 脈沖激光熔焊密封……234

5.5.8 其他熔焊密封……236

5.6 應(yīng)用舉例……236

5.6.1 S頻段T/R組件……236

5.6.2 L頻段T/R組件……238

5.6.3 以裸芯片為主的T/R組件應(yīng)用實例……239

參考文獻(xiàn)……241

第6章 T/R組件測試技術(shù)……243

6.1 引言……243

6.2 T/R組件發(fā)射測試技術(shù)……244

6.2.1 發(fā)射幅度和相位測試……246

6.2.2 線性相位偏離和群時延特性測試……250

6.2.3 輸出功率測試……252

6.2.4 輸出信號波形上升沿、下降沿、頂降測試……256

6.2.5 輸出信號頻譜測試……257

6.2.6 輸出信號相位噪聲測試……259

6.2.7 輸出負(fù)載牽引測試……261

6.3 T/R組件接收測試技術(shù)……263

6.3.1 接收幅度和相位測試……263

6.3.2 噪聲系數(shù)測試……264

6.3.3 非線性特性測試(1dB壓縮和三階截獲點)……267

6.3.4 低噪聲放大器和限幅器恢復(fù)時間測試……268

6.4 T/R組件其他指標(biāo)測試……270

6.4.1 收發(fā)轉(zhuǎn)換時間測試……270

6.4.2 移相置位時間測試……271

6.4.3 功耗和效率測試……271

6.4.4 振蕩趨勢測試……273

6.5 T/R組件自動測試系統(tǒng)……273

6.5.1 T/R組件自動測試系統(tǒng)概述……273

6.5.2 T/R組件自動測試系統(tǒng)實例……277

6.6 陣面T/R組件微波監(jiān)測和校準(zhǔn)……280

6.6.1 陣面內(nèi)監(jiān)測、校準(zhǔn)……280

6.6.2 陣面外監(jiān)測、校準(zhǔn)……281

6.6.3 監(jiān)測、校準(zhǔn)實例……282

6.6.4 測量誤差控制……283

參考文獻(xiàn)……284

第7章 T/R組件計算機輔助設(shè)計技術(shù)……287

7.1 引言……287

7.2 電磁場計算機輔助設(shè)計……288

7.2.1 有限元法……288

7.2.2 矩量法……289

7.2.3 時域差分法……290

7.3 典型微波CAD軟件的介紹……294

7.3.1 微波電路的計算機輔助設(shè)計……294

7.3.2 ADS仿真軟件……295

7.3.3 AnsoftHFSS仿真軟件……296

7.3.4 MicrowaveOffice仿真軟件……297