【摘 要】
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日益发展的电子系统要求相控阵天线的带宽越来越宽、扫描角度越来越大。虽然宽带平面阵列天线已经实现了±60°扫描范围,但是不能满足现代电子系统的需求。目前,紧耦合天线阵列技术是实现超宽带带宽的一种有效手段,但是其超宽带阻抗匹配问题和大角度扫描问题需要亟待解决。本学位论文对大角度扫描理论进行了深入研究,以平面紧耦合天线阵为研究载体,对其超宽带阻抗变换器、H面大角度扫描匹配层、宽波束天线单元进行了深入研究
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日益发展的电子系统要求相控阵天线的带宽越来越宽、扫描角度越来越大。虽然宽带平面阵列天线已经实现了±60°扫描范围,但是不能满足现代电子系统的需求。目前,紧耦合天线阵列技术是实现超宽带带宽的一种有效手段,但是其超宽带阻抗匹配问题和大角度扫描问题需要亟待解决。本学位论文对大角度扫描理论进行了深入研究,以平面紧耦合天线阵为研究载体,对其超宽带阻抗变换器、H面大角度扫描匹配层、宽波束天线单元进行了深入研究。本学位论文主要内容包括以下四部分:1、明晰了有限大平面阵的阵因子在近端射区域扫描时的最大方向性系数不满足余弦变化规律且在端射区域不为零,并提出了用天线单元方向图弥补阵因子方向性系数的思路来实现超大角度扫描。从严格的阵因子公式出发,分析了不同规模平面阵的阵因子的方向性系数随扫描角度的变化规律,并与余弦变化规律进行了比较。分析表明,有限大平面阵的阵因子在近端射区域扫描时的最大方向性系数不满足余弦变化规律,且在端射区域不为零。基于此结论,提出了采用单元方向图来弥补阵因子大角度扫描时所下降的方向性系数的思路。为了说明此思路,假设了一个包含7种复杂状态的可重构天线单元方向图,而且将其应用于一个不考虑耦合时尺寸为8λ×8λ（单元间距d=0.5λ,λ为自由空间波长）的天线阵列,在±90°扫描范围内实现了方向性系数在3d B以内的波动。该部分内容为平面相控阵天线实现超大角度扫描指明了方向。2、采用了结构紧凑、易于集成的微带转槽线结构作为紧耦合天线的超宽带阻抗变换器,显著减小了天线尺寸、重量、成本和设计复杂度。将阻抗变换器、紧耦合天线和宽角扫描匹配层都集成在一块印制板上,实现了一体化设计。采用该阻抗变换器实现了一个带宽为5.13:1（0.75-3.85GHz）的紧耦合天线阵,其E面、H面和D面分别可以实现±70°、±60°和±70°扫描,其剖面高度为最低工作频率处的0.12λ。该部分内容解决了传统紧耦合天线的阻抗变换器体积大、结构复杂、成本高、难于一体化设计的问题。3、提出了在天线上表面实现H面超宽带大角度扫描的阻抗共轭匹配方法和匹配层结构,解决了超宽带天线阵在H面大角度扫描时输入阻抗变化剧烈且难以通过阻抗变换器匹配的问题。发现在天线上表面的Floquet阻抗会随着H面扫描角度的增加而逐渐减小至0Ω,且阻抗的虚部呈现感性。因此,本学位论文提出了一种超宽带大角度扫描的阻抗共轭匹配方法和匹配层结构。在H面扫描时,匹配层结构下表面处的阻抗可以很好地与天线上表面处的阻抗实现共轭匹配。最后,实现了一个带宽为1.02-5.15GHz的单极化紧耦合天线阵列,该阵列在所有方位面均可实现70°扫描,且剖面高度为最低工作频率处的0.2λ。4、提出了一种紧耦合电偶极子阵的自互补阵,其超宽带磁流单元的E面3d B波束宽度接近180°,实现了E面±80°扫描的超宽带天线阵列。基于电偶极子的紧耦合天线单元在E面的3d B波束宽度较窄,较难实现大角度扫描。但是等效磁流天线单元可以在E面产生近180°的3d B波束宽度,可以为E面实现大角度扫描提供一个宽波束天线单元。因此,本学位论文提出了一种可等效为超宽带磁流的紧耦合电偶极子阵的自互补阵,实现了E面大角度扫描。最终在带宽为2.2-5.95GHz（2.7:1）内实现了E面±80°扫描、H面±40°扫描和D面±70°扫描的天线阵列,其剖面高度为最低工作频率处的0.14λ。
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