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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 復(fù)合左右手傳輸線饋電網(wǎng)絡(luò)及天線陣列的設(shè)計(jì)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 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(fù)合左右手傳輸線引入到天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，利用復(fù)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(jìn)行補(bǔ)償。從而在一定頻率范圍內(nèi)，在各單元天線處實(shí)現(xiàn)相位平衡。 同時(shí)，本項(xiàng)工作成功設(shè)計(jì)了寬波束微帶天線，該天線的3dB寬度可以達(dá)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(diǎn)。
- 詳細(xì)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(guān)鍵部件。要實(shí)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(luò)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(luò)的優(yōu)劣是影響天線陣列總體性能的關(guān)鍵。 饋電網(wǎng)絡(luò)分為并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)和串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)。并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)較易實(shí)現(xiàn)各輸出端口的等幅同相分布；其缺點(diǎn)是體積大，能量傳輸不連續(xù)點(diǎn)多，插損大，難以適應(yīng)彈載、星載的應(yīng)用。串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)體積較小，能量傳輸不連續(xù)點(diǎn)少，插損??；其缺點(diǎn)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(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)僅能工作在單頻點(diǎn)，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(fù)合左右手傳輸線引入到天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，利用復(fù)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(jìn)行補(bǔ)償。從而在一定頻率范圍內(nèi)，在各單元天線處實(shí)現(xiàn)相位平衡。 同時(shí)，本項(xiàng)工作成功設(shè)計(jì)了寬波束微帶天線，該天線的3dB寬度可以達(dá)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(diǎn)。 可以預(yù)期，本項(xiàng)工作將在航天技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。 二、作品基本思路： 1、利用微波工程多枝節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要的功率幅度分配； 2、設(shè)計(jì)專門的復(fù)合左右手傳輸線單元，對傳統(tǒng)傳輸線引入的插入相差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)需要的相位分布； 3、在寬波束微帶天線設(shè)計(jì)中，利用多組合饋電技術(shù)對微帶貼片進(jìn)行饋電，以激勵(lì)微帶貼片的多模工作，從而實(shí)現(xiàn)該微帶天線的寬波束輻射。 三、技術(shù)關(guān)鍵與主要技術(shù)指標(biāo)： 1、新型的十字型復(fù)合左右手單元設(shè)計(jì)，工作頻率X波段，插損小于0.5dB； 2、復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，在8.8～9.6GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)等幅同相分布； 3、寬波束微帶天線設(shè)計(jì)，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(xué)性和先進(jìn)性： 該作品中提到的復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)是異向介質(zhì)在微波領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，《Nature》稱異向介質(zhì)為2003年的十大科學(xué)突破之一。 五、市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 現(xiàn)存的饋電網(wǎng)絡(luò)主要分為并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)和串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)。并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)較易實(shí)現(xiàn)各輸出端口的等幅同相分布，但其缺點(diǎn)是體積較大，能量傳輸不連續(xù)點(diǎn)多，插損大。串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)則體積較小，能量傳輸不連續(xù)點(diǎn)少，插損小，而其缺點(diǎn)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(luò)中，一般采用蜿蜒線和交叉饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行相位補(bǔ)償。復(fù)合左右手傳輸線可以使饋電網(wǎng)絡(luò)保持較小體積的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)任意幅度和相位的輸出，極大簡化了設(shè)計(jì)步驟，插損很小，可以在機(jī)載天線陣和相控陣?yán)走_(dá)中推廣。極大的降低了機(jī)載和彈載天線陣和雷達(dá)中天線陣列的面積，易于安裝，重量較輕。 同時(shí)，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(diǎn)，減少了掃描的盲區(qū)，同時(shí)設(shè)計(jì)簡單，不需要在陣列中安裝移相器即可進(jìn)行波束的捷變，此技術(shù)極大節(jié)省了導(dǎo)彈或飛機(jī)的空間和成本。 可以預(yù)期，本項(xiàng)工作將給航天技術(shù)領(lǐng)域節(jié)省很大的成本，在不久的將來得到廣泛的應(yīng)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(dǎo)率都為負(fù)的左手材料在物理上可實(shí)現(xiàn)并具有負(fù)的折射率后，大量的研究圍繞左手材料展開。第一次實(shí)驗(yàn)上證實(shí)左手材料存在的結(jié)構(gòu)由金屬導(dǎo)線和開口環(huán)組成，前者產(chǎn)生負(fù)的介電常數(shù)，而后者提供負(fù)的磁導(dǎo)率。作為異向介質(zhì)的電路形式，復(fù)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(fù)合左右手結(jié)構(gòu)由于損耗比較大，帶寬較窄,在天線陣列和饋線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用較少。同時(shí)目前的復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)工作頻段較低，而且?guī)捄苷?，僅能工作在單頻點(diǎn)，這就極大的限制了天線陣工作的帶寬，使這種復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)不能應(yīng)用到實(shí)際的天線陣列中。 根據(jù)復(fù)合左右手傳輸線的理論特點(diǎn)，作者提出了十字型復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以工作在較高的頻率，同時(shí)插損較小，可以級聯(lián)。利用十字型復(fù)合左右手單元左手區(qū)工作時(shí)傳播常數(shù)比頻率的斜率較小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，并將其應(yīng)用在天線陣列中。復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)使得饋電網(wǎng)絡(luò)體積小，插損小，可以實(shí)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(shù)，同時(shí)采用耦合孔饋電和金屬柱對微帶貼片進(jìn)行饋電，擾亂了貼片的電流分布，激勵(lì)微帶貼片的多模工作，從而實(shí)現(xiàn)該微帶天線的寬波束輻射。進(jìn)而利用該寬波束天線組陣，設(shè)計(jì)的天線陣列可以工作在大角度60度和小角度20度，同時(shí)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(shè)計(jì)，節(jié)約了成本。 在上述工作的基礎(chǔ)上，作者提出了復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)和大角度捷變天線陣列設(shè)計(jì)實(shí)例。成功實(shí)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(shè)計(jì)簡單等優(yōu)勢，相信該作品的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用會給國家航空和航天技術(shù)做出貢獻(xiàn)。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、目的與意義： 天線或天線陣列是電子戰(zhàn)中的關(guān)鍵部件。饋電網(wǎng)絡(luò)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(luò)的優(yōu)劣是影響天線陣列總體性能的關(guān)鍵。 本作品的復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)可以一定頻率內(nèi)，實(shí)現(xiàn)相位平衡。同時(shí)，本項(xiàng)工作成功設(shè)計(jì)了寬波束微帶天線，該天線的3dB寬度可以達(dá)到170度。 二、創(chuàng)新點(diǎn) （1）提出了十字形復(fù)合左右手傳輸線，并將其應(yīng)用于串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)。 （2）成功設(shè)計(jì)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(shù)關(guān)鍵 （1）提出了十字形復(fù)合左右手單元（Crisscross CRLH-TL） 技術(shù)指標(biāo)：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(luò)。 技術(shù)指標(biāo):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(shè)計(jì) 技術(shù)指標(biāo):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(shù)指標(biāo)：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(xué)性、先進(jìn)性
- 一、先進(jìn)性和獨(dú)特之處： （1）提出了十字形復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有插損小、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)； （2）本作品設(shè)計(jì)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(jìn)性和獨(dú)特之處： （1）提出了十字形復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有插損小、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)； （2）本作品設(shè)計(jì)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(xiàng)作品成功設(shè)計(jì)了X波段等幅同相串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，該饋電網(wǎng)絡(luò)工作頻帶較寬，為8.6%； （4）成功設(shè)計(jì)了波束捷變天線陣列，該陣列可以工作在大角度（±60度），同時(shí)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(shè)計(jì)的復(fù)雜性。 二、科學(xué)性： 該作品中提到的復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)是異向介質(zhì)在微波領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，《Nature》稱異向介質(zhì)為2003年的十大科學(xué)突破之一。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)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(xué)文獻(xiàn)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(jiǎng)勵(lì) 該作品在2009年6月榮獲安徽省挑戰(zhàn)杯特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖片、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 一、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： 該作品中提出的復(fù)合左右手傳輸線對天線陣列及其饋電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著重要的意義，同時(shí)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(shí)現(xiàn)大角度工作。 二、適應(yīng)范圍： 功率分配器，彈載和相控陣等。 三、知識產(chǎn)權(quán)使用說明： 該作品相關(guān)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(jì)效益預(yù)測： 復(fù)合左右手傳輸線可以使饋電網(wǎng)絡(luò)保持較小體積的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)任意幅度和相位的輸出，極大簡化了設(shè)計(jì)步驟，插損很小，極大的降低了機(jī)載和彈載天線陣和雷達(dá)中天線陣列的面積。同時(shí)，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(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)簡單，不需要在陣列中安裝移相器即可進(jìn)行波束的捷變，此技術(shù)極大節(jié)省了導(dǎo)彈或飛機(jī)的空間和成本。 可以預(yù)期，本項(xiàng)工作將給航天技術(shù)領(lǐng)域節(jié)省很大的成本，在不久的將來得到廣泛的應(yīng)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(dǎo)率都為負(fù)的左手材料在物理上可實(shí)現(xiàn)并具有負(fù)的折射率后，大量的研究圍繞左手材料展開。第一次實(shí)驗(yàn)上證實(shí)左手材料存在的結(jié)構(gòu)由金屬導(dǎo)線和開口環(huán)組成，前者產(chǎn)生負(fù)的介電常數(shù)，而后者提供負(fù)的磁導(dǎo)率。作為異向介質(zhì)的電路形式，復(fù)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(fù)合左右手結(jié)構(gòu)由于損耗比較大，帶寬較窄,在天線陣列和饋線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用較少。同時(shí)目前的復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)工作頻段較低，而且?guī)捄苷瑑H能工作在單頻點(diǎn)，這就極大的限制了天線陣工作的帶寬，使這種復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)不能應(yīng)用到實(shí)際的天線陣列中。 根據(jù)復(fù)合左右手傳輸線的理論特點(diǎn)，作者提出了十字型復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以工作在較高的頻率，同時(shí)插損較小，可以級聯(lián)。利用十字型復(fù)合左右手單元左手區(qū)工作時(shí)傳輸常數(shù)比頻率斜率較小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，并將其應(yīng)用在天線陣列中。復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)使得饋電網(wǎng)絡(luò)體積小，插損小，可以實(shí)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(fù)30度范圍內(nèi)。作者利用多組合饋電技術(shù)，同時(shí)采用耦合孔饋電和金屬柱對微帶貼片進(jìn)行饋電，擾亂了貼片的電流分布，激勵(lì)微帶貼片的多模工作，從而實(shí)現(xiàn)該微帶天線的寬波束輻射。進(jìn)而利用該寬波束天線組陣，設(shè)計(jì)的天線陣列可以工作在大角度60度和小角度20度，同時(shí)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(shè)計(jì)，節(jié)約了成本。 在上述工作的基礎(chǔ)上，作者提出了復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)和大角度捷變天線陣列設(shè)計(jì)實(shí)例。成功實(shí)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(shè)計(jì)簡單等優(yōu)勢，相信該作品的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用會給國家航空和航天技術(shù)做出貢獻(xiàn)。
