1、相控陣天線因其獨(dú)特的波束控制能力廣泛用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。具備寬角寬帶掃描能力的相控陣天線更是確保相關(guān)系統(tǒng)高性能工作的關(guān)鍵技術(shù)，亦是相控陣天線領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。陣列單元間的相互作用，即互耦，會(huì)改變單元上電流的幅度和相位分布，導(dǎo)致單元呈現(xiàn)出不同于孤立狀態(tài)下的阻抗和輻射特性，進(jìn)而影響陣列掃描性能。因此互耦是造成寬角寬帶掃描成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)的主要原因。本文從關(guān)鍵的互耦控制角度出發(fā)，對(duì)相控陣天線寬角寬帶掃描方法進(jìn)行深入研究。
　　本研究主

2、要內(nèi)容包括：⑴從補(bǔ)償互耦的角度出發(fā)，研究了基于重疊饋電結(jié)構(gòu)的互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)分析其互耦補(bǔ)償機(jī)制，我們發(fā)現(xiàn)重疊饋電網(wǎng)絡(luò)引入了隨掃描角度變化的補(bǔ)償耦合信號(hào)。隨后采用電路模型和全波仿真相結(jié)合的研究方式，對(duì)重疊饋電網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。在研究中我們發(fā)現(xiàn)功分器輸出臂的相位調(diào)整作用是重疊饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大角度掃描時(shí)互耦補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。最后設(shè)計(jì)、加工并且測(cè)試了采用重疊饋電網(wǎng)絡(luò)的16單元微帶天線線陣。得益于改善的寬角阻抗匹配，仿真和測(cè)試結(jié)果均顯示

3、該陣列在中心頻率掃描至±60°時(shí)增益下降小于3dB，實(shí)現(xiàn)了寬角掃描。⑵從補(bǔ)償互耦的角度出發(fā)，研究了基于連接耦合器的兩類互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。這兩類網(wǎng)絡(luò)都是通過(guò)有意引入一路間接耦合信號(hào)來(lái)抵消天線輻射口徑上的直接耦合信號(hào)，進(jìn)而補(bǔ)償由直接耦合信號(hào)造成的陣列單元有源輸入阻抗隨掃描角的變化。耦合器用來(lái)控制間接耦合信號(hào)的幅度，傳輸線用來(lái)連接相鄰耦合器并進(jìn)行相位調(diào)整。利用散射矩陣?yán)碚?，詳?xì)分析了這兩類網(wǎng)絡(luò)的工作原理，并給出了一般性的設(shè)計(jì)步驟。第一類互耦補(bǔ)償網(wǎng)

4、絡(luò)使用了匹配電阻，其損耗不容忽視。為此我們提出了不需要電阻加載的第二類互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并在二單元微帶天線陣列上進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于直接和間接耦合信號(hào)相互抵消，相鄰單元饋電端口的隔離度得到顯著提高。進(jìn)一步我們對(duì)兩類互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的帶寬特性進(jìn)行分析，并針對(duì)第一類網(wǎng)絡(luò)給出了提高互耦補(bǔ)償帶寬的解決方案。⑶研究了這兩類網(wǎng)絡(luò)在寬角寬帶掃描相控陣天線中的表現(xiàn)。我們首先將第二類互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓展應(yīng)用至16單元微帶天線線陣。通過(guò)對(duì)相鄰

5、單元間互耦信號(hào)的有效補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了陣列單元的寬角阻抗匹配，避免了大角度掃描時(shí)因阻抗失配造成的增益下降。在0°~60°的掃描范圍內(nèi)，仿真的-10dB的阻抗帶寬約為5.5％。測(cè)試結(jié)果表明陣列掃描至66°時(shí)，增益僅下降3.04dB。隨后我們對(duì)第一類互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了寬帶化和高效率的改進(jìn)，并應(yīng)用至16單元微帶疊層貼片天線線陣。在0°~60°的掃描范圍內(nèi)，仿真的-10dB阻抗帶寬為13.2%。測(cè)試結(jié)果表明該線陣在低頻和高頻端掃描至60°時(shí)的增益相比

6、側(cè)射時(shí)分別下降了1.2dB和2.4dB，實(shí)現(xiàn)了寬帶寬角掃描。⑷提出了一類新型的寬帶天線，采用開放的金屬背腔，利用微帶饋線及其上方的寄生金屬帶線輻射能量，具有結(jié)構(gòu)緊湊、饋電簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。從利用互耦的角度出發(fā)，將該類天線單元相互連接從而構(gòu)成一類基于連接背腔的新型陣列天線。H面相鄰單元相互連接，互耦被有意加強(qiáng)。無(wú)限大陣列單元的仿真結(jié)果顯示，在任意方位面掃描至±60°時(shí)，實(shí)現(xiàn)約43.4%（7.4GHz~11.5GHz）且 VSWR≤2的阻抗帶寬；

7、掃描至±70°時(shí)，實(shí)現(xiàn)近44%（7.45GHz~11.65GHz）且VSWR≤2.5的阻抗帶寬。2×18的有限大陣列的測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)陣列掃描至H面60°時(shí)，VSWR≤2.3的阻抗帶寬超過(guò)50%（7.2GHz~12.1GHz）；掃描至70°時(shí)，VSWR≤3.2的阻抗帶寬超過(guò)54%（7.2GHz~12.5GHz）。測(cè)試結(jié)果顯示 H面相鄰單元饋電端口的耦合系數(shù)在大部分工作頻率都高于-15dB，證明該陣列的寬帶寬角掃描性能是基于對(duì)互耦的有效利

8、用。⑸對(duì)該類型陣列進(jìn)行了拓展應(yīng)用研究。首先，針對(duì)一些實(shí)際應(yīng)用中要求大單元間距的需求，研究了三角形柵格分布陣列。所提出的等邊三角形柵格陣列中的單元間距為14.5mm，相當(dāng)于最高工作頻率12GHz的0.58個(gè)波長(zhǎng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)在H面和E面掃描至大角度時(shí)出現(xiàn)的盲區(qū)現(xiàn)象進(jìn)行了分析和抑制。無(wú)限大陣列單元的仿真結(jié)果顯示，在E面和H面掃描至±70°時(shí)，實(shí)現(xiàn)41.8%（7.85GHz~12GHz）且VSWR≤3的阻抗帶寬。隨后，針對(duì)雷達(dá)、通信系統(tǒng)中