基本信息
- 项目名称：
- 复合左右手传输线馈电网络及天线阵列的设计
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品将具有异向介质特性的复合左右手传输线引入到天线阵列的馈电网络设计中，利用复合左右手特有的相速和群速反向以及较大的相位常数特征，对传统传输线引入的插入相差进行补偿。从而在一定频率范围内，在各单元天线处实现相位平衡。 同时，本项工作成功设计了宽波束微带天线，该天线的3dB宽度可以达到170度。该天线克服了传统微带天线波束窄，仅能扫描±30度范围，不能适用于大角度相控扫描的缺点。
- 详细介绍：
- 一、 作品目的与意义： 天线或天线阵列是电子战中的关键部件。要实现高增益和波束扫描，天线必须以阵列形式工作。馈电网络的功能是保证天线阵列中各单元天线幅度、相位按需分布，因而馈电网络的优劣是影响天线阵列总体性能的关键。 馈电网络分为并联馈电网络和串联馈电网络。并联馈电网络较易实现各输出端口的等幅同相分布；其缺点是体积大，能量传输不连续点多，插损大，难以适应弹载、星载的应用。串联馈电网络体积较小，能量传输不连续点少，插损小；其缺点是馈线会在各输出端口引入相差，相位的一致性难以保证，带宽较窄。而现有的复合左右手串联馈电网络仅能工作在单频点，难以满足天线阵列性能的要求。 本作品将具有异向介质特性的复合左右手传输线引入到天线阵列的馈电网络设计中，利用复合左右手特有的相速和群速反向以及较大的相位常数特征，对传统传输线引入的插入相差进行补偿。从而在一定频率范围内，在各单元天线处实现相位平衡。 同时，本项工作成功设计了宽波束微带天线，该天线的3dB宽度可以达到170度。该天线克服了传统微带天线波束窄，仅能扫描±30度范围，不能适用于大角度相控扫描的缺点。 可以预期，本项工作将在航天技术领域得到应用。 二、作品基本思路： 1、利用微波工程多枝节技术实现需要的功率幅度分配； 2、设计专门的复合左右手传输线单元，对传统传输线引入的插入相差进行补偿，实现需要的相位分布； 3、在宽波束微带天线设计中，利用多组合馈电技术对微带贴片进行馈电，以激励微带贴片的多模工作，从而实现该微带天线的宽波束辐射。 三、技术关键与主要技术指标： 1、新型的十字型复合左右手单元设计，工作频率X波段，插损小于0.5dB； 2、复合左右手串联馈电网络，在8.8～9.6GHz频带内实现等幅同相分布； 3、宽波束微带天线设计，3dB波束宽度大于130度； 4、大角度捷变天线阵列，最大辐射方向偏离法向60度。 四、科学性和先进性： 该作品中提到的复合左右手结构是异向介质在微波领域的实际应用，《Nature》称异向介质为2003年的十大科学突破之一。 五、市场分析和经济效益预测： 现存的馈电网络主要分为并联馈电网络和串联馈电网络。并联馈电网络较易实现各输出端口的等幅同相分布，但其缺点是体积较大，能量传输不连续点多，插损大。串联馈电网络则体积较小，能量传输不连续点少，插损小，而其缺点是不同长度的馈线会在各输出端口引入相差，相位的一致性难以保证，带宽较窄。目前的串联馈电网络中，一般采用蜿蜒线和交叉馈电结构进行相位补偿。复合左右手传输线可以使馈电网络保持较小体积的同时，实现任意幅度和相位的输出，极大简化了设计步骤，插损很小，可以在机载天线阵和相控阵雷达中推广。极大的降低了机载和弹载天线阵和雷达中天线阵列的面积，易于安装，重量较轻。 同时，大角度捷变微带天线阵列，可以克服传统微带天线阵列只能扫描±30度的缺点，减少了扫描的盲区，同时设计简单，不需要在阵列中安装移相器即可进行波束的捷变，此技术极大节省了导弹或飞机的空间和成本。 可以预期，本项工作将给航天技术领域节省很大的成本，在不久的将来得到广泛的应用。 六、国内外同类课题研究水平概述 自从1960年末Veselago提出介电常数和磁导率都为负的左手材料在物理上可实现并具有负的折射率后，大量的研究围绕左手材料展开。第一次实验上证实左手材料存在的结构由金属导线和开口环组成，前者产生负的介电常数，而后者提供负的磁导率。作为异向介质的电路形式，复合左右手传输线近年来也得到广泛研究。传统的交指型复合左右手结构由于损耗比较大，带宽较窄,在天线阵列和馈线网络中的应用较少。同时目前的复合左右手串联馈电网络工作频段较低，而且带宽很窄，仅能工作在单频点，这就极大的限制了天线阵工作的带宽，使这种复合左右手串联馈电网络不能应用到实际的天线阵列中。 根据复合左右手传输线的理论特点，作者提出了十字型复合左右手结构，此结构可以工作在较高的频率，同时插损较小，可以级联。利用十字型复合左右手单元左手区工作时传播常数比频率的斜率较小的特点，设计了复合左右手串联馈电网络，并将其应用在天线阵列中。复合左右手串联馈电网络使得馈电网络体积小，插损小，可以实现任意幅度和相位的分布。 普通的微带天线3dB波束宽度为90度，这使得天线阵列的扫描范围较窄，一般工作在±30度范围内。作者利用多组合馈电技术，同时采用耦合孔馈电和金属柱对微带贴片进行馈电，扰乱了贴片的电流分布，激励微带贴片的多模工作，从而实现该微带天线的宽波束辐射。进而利用该宽波束天线组阵，设计的天线阵列可以工作在大角度60度和小角度20度，同时不组阵的方向上可以保持宽波束的特性。节省了移相器的设计，节约了成本。 在上述工作的基础上，作者提出了复合左右手串联馈电网络和大角度捷变天线阵列设计实例。成功实现了8.6%相对带宽内的等幅同相分布和大角度波束捷变扫描。由于体积、成本和设计简单等优势，相信该作品的进一步发展和应用会给国家航空和航天技术做出贡献。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、目的与意义： 天线或天线阵列是电子战中的关键部件。馈电网络的功能是保证天线阵列中各单元天线幅度、相位按需分布，因而馈电网络的优劣是影响天线阵列总体性能的关键。 本作品的复合左右手串联馈电网络可以一定频率内，实现相位平衡。同时，本项工作成功设计了宽波束微带天线，该天线的3dB宽度可以达到170度。 二、创新点 （1）提出了十字形复合左右手传输线，并将其应用于串联馈电网络。 （2）成功设计了波束捷变天线阵列，该阵列可以工作在大角度（±60度）。 三、技术关键 （1）提出了十字形复合左右手单元（Crisscross CRLH-TL） 技术指标：工作频率：X波段；插损：<0.5dB （2）基于Crisscross CRLH-TL，提出了一种新型串联馈电网络。 技术指标:输出端口幅度不一致性：1dB；输出端口相位不一致性：10º。 （3）宽波束微带天线设计 技术指标:工作频率：10.9～11.1GHz ；波束宽度：>130度；驻波：<2 （4）大角度捷变天线阵列 采用宽波束微带天线和CRLH-TL串联馈电，使天线阵列以很小的体积工作在60度的大角度。 技术指标：增益：>10dB；副瓣：>20dB；轴向瓣宽小于10度，周向瓣宽大于120度；频率：10.9～11.1GHz
科学性、先进性
- 一、先进性和独特之处： （1）提出了十字形复合左右手传输线结构，该结构具有插损小、工作频率高等优点； （2）本作品设计的11GHz宽波束微带天线体积小，E面和H面的3dB波束范围为170度。 二、先进性和独特之处： （1）提出了十字形复合左右手传输线结构，该结构具有插损小、工作频率高等优点； （2）本作品设计的11GHz宽波束微带天线体积小，E面和H面的3dB波束范围为170度； （3）本项作品成功设计了X波段等幅同相串联馈电网络，该馈电网络工作频带较宽，为8.6%； （4）成功设计了波束捷变天线阵列，该阵列可以工作在大角度（±60度），同时可以在不组阵的方向上保持宽波束的特性。较大程度上简化了设计的复杂性。 二、科学性： 该作品中提到的复合左右手结构是异向介质在微波领域的实际应用，《Nature》称异向介质为2003年的十大科学突破之一。
获奖情况及鉴定结果
- 一、已发表的期刊论文： 1. DESIGN OF A 120 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. 该刊物已被国际科学文献检索（SCI）和工程检索（EI）索引收录，影响因子为3.320。 二、已发表的国际会议论文： 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、奖励 该作品在2009年6月荣获安徽省挑战杯特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术转让
作品可展示的形式
- 实物、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点和优势： 该作品中提出的复合左右手传输线对天线阵列及其馈电网络的发展有着重要的意义，同时宽波束天线的发明和制作打破了以往天线阵列只能工作在±30度的限制，使得天线阵列在组阵方向可以实现大角度工作。 二、适应范围： 功率分配器，弹载和相控阵等。 三、知识产权使用说明： 该作品相关论文已被国际顶尖杂志《Progress In Electromagnetic Research》发表。 四、市场分析和经济效益预测： 复合左右手传输线可以使馈电网络保持较小体积的同时，实现任意幅度和相位的输出，极大简化了设计步骤，插损很小，极大的降低了机载和弹载天线阵和雷达中天线阵列的面积。同时，大角度捷变微带天线阵列，可以克服传统微带天线阵列只能扫描±30度的缺点，同时设计简单，不需要在阵列中安装移相器即可进行波束的捷变，此技术极大节省了导弹或飞机的空间和成本。 可以预期，本项工作将给航天技术领域节省很大的成本，在不久的将来得到广泛的应用。
同类课题研究水平概述
- 自从1960年末Veselago提出介电常数和磁导率都为负的左手材料在物理上可实现并具有负的折射率后，大量的研究围绕左手材料展开。第一次实验上证实左手材料存在的结构由金属导线和开口环组成，前者产生负的介电常数，而后者提供负的磁导率。作为异向介质的电路形式，复合左右手传输线近年来也得到广泛研究。传统的交指型复合左右手结构由于损耗比较大，带宽较窄,在天线阵列和馈线网络中的应用较少。同时目前的复合左右手串联馈电网络工作频段较低，而且带宽很窄，仅能工作在单频点，这就极大的限制了天线阵工作的带宽，使这种复合左右手串联馈电网络不能应用到实际的天线阵列中。 根据复合左右手传输线的理论特点，作者提出了十字型复合左右手结构，此结构可以工作在较高的频率，同时插损较小，可以级联。利用十字型复合左右手单元左手区工作时传输常数比频率斜率较小的特点，设计了复合左右手串联馈电网络，并将其应用在天线阵列中。复合左右手串联馈电网络使得馈电网络体积小，插损小，可以实现任意幅度和相位的分布。 普通的微带天线3dB波束宽度为90度，这使得天线阵列的扫描范围较窄，一般工作在正负30度范围内。作者利用多组合馈电技术，同时采用耦合孔馈电和金属柱对微带贴片进行馈电，扰乱了贴片的电流分布，激励微带贴片的多模工作，从而实现该微带天线的宽波束辐射。进而利用该宽波束天线组阵，设计的天线阵列可以工作在大角度60度和小角度20度，同时不组阵的方向上可以保持宽波束的特性。节省了移相器的设计，节约了成本。 在上述工作的基础上，作者提出了复合左右手串联馈电网络和大角度捷变天线阵列设计实例。成功实现了8.6%相对带宽内的等幅同相分布和大角度波束捷变扫描。由于体积、成本和设计简单等优势，相信该作品的进一步发展和应用会给国家航空和航天技术做出贡献。
