基本信息
- 項目名稱：
- 復合左右手傳輸線饋電網(wǎng)絡及天線陣列的設計
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品將具有異向介質(zhì)特性的復合左右手傳輸線引入到天線陣列的饋電網(wǎng)絡設計中，利用復合左右手特有的相速和群速反向以及較大的相位常數(shù)特征，對傳統(tǒng)傳輸線引入的插入相差進行補償。從而在一定頻率范圍內(nèi)，在各單元天線處實現(xiàn)相位平衡。 同時，本項工作成功設計了寬波束微帶天線，該天線的3dB寬度可以達到170度。該天線克服了傳統(tǒng)微帶天線波束窄，僅能掃描±30度范圍，不能適用于大角度相控掃描的缺點。
- 詳細介紹：
- 一、 作品目的與意義： 天線或天線陣列是電子戰(zhàn)中的關鍵部件。要實現(xiàn)高增益和波束掃描，天線必須以陣列形式工作。饋電網(wǎng)絡的功能是保證天線陣列中各單元天線幅度、相位按需分布，因而饋電網(wǎng)絡的優(yōu)劣是影響天線陣列總體性能的關鍵。 饋電網(wǎng)絡分為并聯(lián)饋電網(wǎng)絡和串聯(lián)饋電網(wǎng)絡。并聯(lián)饋電網(wǎng)絡較易實現(xiàn)各輸出端口的等幅同相分布；其缺點是體積大，能量傳輸不連續(xù)點多，插損大，難以適應彈載、星載的應用。串聯(lián)饋電網(wǎng)絡體積較小，能量傳輸不連續(xù)點少，插損?。黄淙秉c是饋線會在各輸出端口引入相差，相位的一致性難以保證，帶寬較窄。而現(xiàn)有的復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡僅能工作在單頻點，難以滿足天線陣列性能的要求。 本作品將具有異向介質(zhì)特性的復合左右手傳輸線引入到天線陣列的饋電網(wǎng)絡設計中，利用復合左右手特有的相速和群速反向以及較大的相位常數(shù)特征，對傳統(tǒng)傳輸線引入的插入相差進行補償。從而在一定頻率范圍內(nèi)，在各單元天線處實現(xiàn)相位平衡。 同時，本項工作成功設計了寬波束微帶天線，該天線的3dB寬度可以達到170度。該天線克服了傳統(tǒng)微帶天線波束窄，僅能掃描±30度范圍，不能適用于大角度相控掃描的缺點。 可以預期，本項工作將在航天技術領域得到應用。 二、作品基本思路： 1、利用微波工程多枝節(jié)技術實現(xiàn)需要的功率幅度分配； 2、設計專門的復合左右手傳輸線單元，對傳統(tǒng)傳輸線引入的插入相差進行補償，實現(xiàn)需要的相位分布； 3、在寬波束微帶天線設計中，利用多組合饋電技術對微帶貼片進行饋電，以激勵微帶貼片的多模工作，從而實現(xiàn)該微帶天線的寬波束輻射。 三、技術關鍵與主要技術指標： 1、新型的十字型復合左右手單元設計，工作頻率X波段，插損小于0.5dB； 2、復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡，在8.8～9.6GHz頻帶內(nèi)實現(xiàn)等幅同相分布； 3、寬波束微帶天線設計，3dB波束寬度大于130度； 4、大角度捷變天線陣列，最大輻射方向偏離法向60度。 四、科學性和先進性： 該作品中提到的復合左右手結構是異向介質(zhì)在微波領域的實際應用，《Nature》稱異向介質(zhì)為2003年的十大科學突破之一。 五、市場分析和經(jīng)濟效益預測： 現(xiàn)存的饋電網(wǎng)絡主要分為并聯(lián)饋電網(wǎng)絡和串聯(lián)饋電網(wǎng)絡。并聯(lián)饋電網(wǎng)絡較易實現(xiàn)各輸出端口的等幅同相分布，但其缺點是體積較大，能量傳輸不連續(xù)點多，插損大。串聯(lián)饋電網(wǎng)絡則體積較小，能量傳輸不連續(xù)點少，插損小，而其缺點是不同長度的饋線會在各輸出端口引入相差，相位的一致性難以保證，帶寬較窄。目前的串聯(lián)饋電網(wǎng)絡中，一般采用蜿蜒線和交叉饋電結構進行相位補償。復合左右手傳輸線可以使饋電網(wǎng)絡保持較小體積的同時，實現(xiàn)任意幅度和相位的輸出，極大簡化了設計步驟，插損很小，可以在機載天線陣和相控陣雷達中推廣。極大的降低了機載和彈載天線陣和雷達中天線陣列的面積，易于安裝，重量較輕。 同時，大角度捷變微帶天線陣列，可以克服傳統(tǒng)微帶天線陣列只能掃描±30度的缺點，減少了掃描的盲區(qū)，同時設計簡單，不需要在陣列中安裝移相器即可進行波束的捷變，此技術極大節(jié)省了導彈或飛機的空間和成本。 可以預期，本項工作將給航天技術領域節(jié)省很大的成本，在不久的將來得到廣泛的應用。 六、國內(nèi)外同類課題研究水平概述 自從1960年末Veselago提出介電常數(shù)和磁導率都為負的左手材料在物理上可實現(xiàn)并具有負的折射率后，大量的研究圍繞左手材料展開。第一次實驗上證實左手材料存在的結構由金屬導線和開口環(huán)組成，前者產(chǎn)生負的介電常數(shù)，而后者提供負的磁導率。作為異向介質(zhì)的電路形式，復合左右手傳輸線近年來也得到廣泛研究。傳統(tǒng)的交指型復合左右手結構由于損耗比較大，帶寬較窄,在天線陣列和饋線網(wǎng)絡中的應用較少。同時目前的復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡工作頻段較低，而且?guī)捄苷?，僅能工作在單頻點，這就極大的限制了天線陣工作的帶寬，使這種復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡不能應用到實際的天線陣列中。 根據(jù)復合左右手傳輸線的理論特點，作者提出了十字型復合左右手結構，此結構可以工作在較高的頻率，同時插損較小，可以級聯(lián)。利用十字型復合左右手單元左手區(qū)工作時傳播常數(shù)比頻率的斜率較小的特點，設計了復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡，并將其應用在天線陣列中。復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡使得饋電網(wǎng)絡體積小，插損小，可以實現(xiàn)任意幅度和相位的分布。 普通的微帶天線3dB波束寬度為90度，這使得天線陣列的掃描范圍較窄，一般工作在±30度范圍內(nèi)。作者利用多組合饋電技術，同時采用耦合孔饋電和金屬柱對微帶貼片進行饋電，擾亂了貼片的電流分布，激勵微帶貼片的多模工作，從而實現(xiàn)該微帶天線的寬波束輻射。進而利用該寬波束天線組陣，設計的天線陣列可以工作在大角度60度和小角度20度，同時不組陣的方向上可以保持寬波束的特性。節(jié)省了移相器的設計，節(jié)約了成本。 在上述工作的基礎上，作者提出了復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡和大角度捷變天線陣列設計實例。成功實現(xiàn)了8.6%相對帶寬內(nèi)的等幅同相分布和大角度波束捷變掃描。由于體積、成本和設計簡單等優(yōu)勢，相信該作品的進一步發(fā)展和應用會給國家航空和航天技術做出貢獻。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一、目的與意義： 天線或天線陣列是電子戰(zhàn)中的關鍵部件。饋電網(wǎng)絡的功能是保證天線陣列中各單元天線幅度、相位按需分布，因而饋電網(wǎng)絡的優(yōu)劣是影響天線陣列總體性能的關鍵。 本作品的復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡可以一定頻率內(nèi)，實現(xiàn)相位平衡。同時，本項工作成功設計了寬波束微帶天線，該天線的3dB寬度可以達到170度。 二、創(chuàng)新點 （1）提出了十字形復合左右手傳輸線，并將其應用于串聯(lián)饋電網(wǎng)絡。 （2）成功設計了波束捷變天線陣列，該陣列可以工作在大角度（±60度）。 三、技術關鍵 （1）提出了十字形復合左右手單元（Crisscross CRLH-TL） 技術指標：工作頻率：X波段；插損：<0.5dB （2）基于Crisscross CRLH-TL，提出了一種新型串聯(lián)饋電網(wǎng)絡。 技術指標:輸出端口幅度不一致性：1dB；輸出端口相位不一致性：10o。 （3）寬波束微帶天線設計 技術指標:工作頻率：10.9～11.1GHz ；波束寬度：>130度；駐波：<2 （4）大角度捷變天線陣列 采用寬波束微帶天線和CRLH-TL串聯(lián)饋電，使天線陣列以很小的體積工作在60度的大角度。 技術指標：增益：>10dB；副瓣：>20dB；軸向瓣寬小于10度，周向瓣寬大于120度；頻率：10.9～11.1GHz
科學性、先進性
- 一、先進性和獨特之處： （1）提出了十字形復合左右手傳輸線結構，該結構具有插損小、工作頻率高等優(yōu)點； （2）本作品設計的11GHz寬波束微帶天線體積小，E面和H面的3dB波束范圍為170度。 二、先進性和獨特之處： （1）提出了十字形復合左右手傳輸線結構，該結構具有插損小、工作頻率高等優(yōu)點； （2）本作品設計的11GHz寬波束微帶天線體積小，E面和H面的3dB波束范圍為170度； （3）本項作品成功設計了X波段等幅同相串聯(lián)饋電網(wǎng)絡，該饋電網(wǎng)絡工作頻帶較寬，為8.6%； （4）成功設計了波束捷變天線陣列，該陣列可以工作在大角度（±60度），同時可以在不組陣的方向上保持寬波束的特性。較大程度上簡化了設計的復雜性。 二、科學性： 該作品中提到的復合左右手結構是異向介質(zhì)在微波領域的實際應用，《Nature》稱異向介質(zhì)為2003年的十大科學突破之一。
獲獎情況及鑒定結果
- 一、已發(fā)表的期刊論文： 1. DESIGN OF A 1?20 SERIES FEED NETWORK WITH COMPOSITE RIGHT/LEFT-HANDED TRANSMISSION LINE XXX, Q. Zhu, Y. Yan, and S. Xu Progress in Electromagnetic Research, PIER 89, 311-324, 2009. 該刊物已被國際科學文獻檢索（SCI）和工程檢索（EI）索引收錄，影響因子為3.320。 二、已發(fā)表的國際會議論文： 2. Beam-Switch of Microstrip Array with Series CRLH-TL Feed Configuration XXX, Zhu Qi, Mao Wenhui and Xu Shanjia IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium, Santiago, USA, July 5-11, 2008 3. Design of Microstrip Antenna with Broad Beamwidth XXX, Qi Zhu, Yan Yan, Jue Wang and Shanjia Xu IEEE Asia Pacific Microwave Conference, Hong Kong, December 16-20, 2008, 4. Realization of Even Amplitude and Phase Distributions in Series Feed Configuration with Composite Right/Left-handed Transmission Line XXX, Zhu Qi, Zhang Jun, Lai jiali and Xu Shan-jia Progress In Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Hangzhou, China, March 24-28, 2008 三、獎勵 該作品在2009年6月榮獲安徽省挑戰(zhàn)杯特等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 技術轉讓
作品可展示的形式
- 實物、圖片、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 一、技術特點和優(yōu)勢： 該作品中提出的復合左右手傳輸線對天線陣列及其饋電網(wǎng)絡的發(fā)展有著重要的意義，同時寬波束天線的發(fā)明和制作打破了以往天線陣列只能工作在±30度的限制，使得天線陣列在組陣方向可以實現(xiàn)大角度工作。 二、適應范圍： 功率分配器，彈載和相控陣等。 三、知識產(chǎn)權使用說明： 該作品相關論文已被國際頂尖雜志《Progress In Electromagnetic Research》發(fā)表。 四、市場分析和經(jīng)濟效益預測： 復合左右手傳輸線可以使饋電網(wǎng)絡保持較小體積的同時，實現(xiàn)任意幅度和相位的輸出，極大簡化了設計步驟，插損很小，極大的降低了機載和彈載天線陣和雷達中天線陣列的面積。同時，大角度捷變微帶天線陣列，可以克服傳統(tǒng)微帶天線陣列只能掃描±30度的缺點，同時設計簡單，不需要在陣列中安裝移相器即可進行波束的捷變，此技術極大節(jié)省了導彈或飛機的空間和成本。 可以預期，本項工作將給航天技術領域節(jié)省很大的成本，在不久的將來得到廣泛的應用。
同類課題研究水平概述
- 自從1960年末Veselago提出介電常數(shù)和磁導率都為負的左手材料在物理上可實現(xiàn)并具有負的折射率后，大量的研究圍繞左手材料展開。第一次實驗上證實左手材料存在的結構由金屬導線和開口環(huán)組成，前者產(chǎn)生負的介電常數(shù)，而后者提供負的磁導率。作為異向介質(zhì)的電路形式，復合左右手傳輸線近年來也得到廣泛研究。傳統(tǒng)的交指型復合左右手結構由于損耗比較大，帶寬較窄,在天線陣列和饋線網(wǎng)絡中的應用較少。同時目前的復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡工作頻段較低，而且?guī)捄苷?，僅能工作在單頻點，這就極大的限制了天線陣工作的帶寬，使這種復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡不能應用到實際的天線陣列中。 根據(jù)復合左右手傳輸線的理論特點，作者提出了十字型復合左右手結構，此結構可以工作在較高的頻率，同時插損較小，可以級聯(lián)。利用十字型復合左右手單元左手區(qū)工作時傳輸常數(shù)比頻率斜率較小的特點，設計了復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡，并將其應用在天線陣列中。復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡使得饋電網(wǎng)絡體積小，插損小，可以實現(xiàn)任意幅度和相位的分布。 普通的微帶天線3dB波束寬度為90度，這使得天線陣列的掃描范圍較窄，一般工作在正負30度范圍內(nèi)。作者利用多組合饋電技術，同時采用耦合孔饋電和金屬柱對微帶貼片進行饋電，擾亂了貼片的電流分布，激勵微帶貼片的多模工作，從而實現(xiàn)該微帶天線的寬波束輻射。進而利用該寬波束天線組陣，設計的天線陣列可以工作在大角度60度和小角度20度，同時不組陣的方向上可以保持寬波束的特性。節(jié)省了移相器的設計，節(jié)約了成本。 在上述工作的基礎上，作者提出了復合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡和大角度捷變天線陣列設計實例。成功實現(xiàn)了8.6%相對帶寬內(nèi)的等幅同相分布和大角度波束捷變掃描。由于體積、成本和設計簡單等優(yōu)勢，相信該作品的進一步發(fā)展和應用會給國家航空和航天技術做出貢獻。
