电大尺寸毫米波天线菲涅尔区带状波束的空间调制机理研究

The wave-beam spatial distribution at the Fresnel zone of the apertured millimeter wave antenna is much more complex than the far-field,as the increasing applications of millimeter wave technology at Fresnel zone, more and more research interests are focused on the study of regularity and spatial modulation mechanics of the wave-beam distribution at the Fresnel zone. At first，The research will provide an analysis model on regularity of beam distribution at Fresnel zone based on perture diffraction theory of electromagnetic wave, then derives the analytic transformation relationship between the aperture field distribution and wave-beam distribution at Frensel zone, after that, investigation on the spatial modulation mechanics of the wave-beam at Fresnel zone by the aperture field magnitude and phase distributions will be laid out,and try to search a inverse-sovle method of the aperture field distribution which can create modulated ribbon wave-beam at the Fresnel zone, a novel millimeter antenna with ribbon wavebeam at Fresnel zone will be desgind, simulated ananlysis and experimental test, to verify the provided wave-beam spatial modulated method and antenna design technology.

毫米波口径天线在菲涅尔区的波束空间分布规律比远场区更为复杂，随着工作在天线菲涅尔区的毫米波技术应用越来越多，对菲涅尔区波束空间分布规律的更深入认识和高效空间调制方法成为了国内外研究人员所关注的热点。项目拟首先在电磁场口径衍射理论基础上建立菲涅尔区波束空间分布规律的分析模型，给出口面场分布与菲尼尔区波束空间分布之间关系的解析变换形式，并深入分析口面场幅度和相位分布对菲尼尔区波束空间分布的调试机理，探索用于在菲尼尔区调制产生带状毫米波波束的口面场逆向求解方法，设计一套在菲涅尔区具有带状毫米波波束的原理性验证天线，最后通过仿真分析和实验研究验证理论模型和分析设计方法。

大功率毫米波由于其独特的与物质互相作用特性和准光传输特性，在非致命主动拒止武器、可控热核聚变中的等离子加热、毫米波成像探测以及毫米波短程高速通信等领域有着越来越重要的应用。由于毫米波的频率高，目标作用区域往往位于天线的辐射近场区内，而近场区内的场分布更加复杂，已不能简单用远场中所采用的方向图来描述其特性，使得天线辐射近场区内的波束赋形研究成为问题的关键。本项目开展电大尺寸毫米波天线菲涅尔区带状波束的空间调制机理研究，主要分为两个部分，第一部分重点研究了天线口径面场分布与近场区目标横截面内条带状波束分布的一一对应关系，通过修正的相位反演迭代算法计算得到，当天线口径尺寸约为400mm×200mm时，在距离天线口径5m处的横向截面内，产生幅度起伏在±10%以内的区域大小约为259mm×37mm；第二部分重点研究利用赋形双反射面天线实现上述天线口径场分布，为了实现馈源高斯波束到天线口径场分布的变换，需要对天线的主面和副面进行一维相位修正，而曲面积分域到曲面观察域的电场积分方程涉及大量数值计算，通过对电场积分方程的格林函数部分进行Taylor级数展开，最终将曲面条件下的电场积分方程转换为沿多个不同截面的平面场问题，进而利用FFT算法实现电场前向和后向传输的快速计算，对修正后的天线面形进行仿真计算得到，归一化的电场幅度分布位于0.8v/m~1.0v/m范围的区域尺寸约为272mm×37.2mm，实现条带状波束长宽比不小于5倍的要求，最后经加工测试得到的均匀区域约为259mm×37mm，带状波束长宽比约为7倍。