摘要: 现代无线系统需要兼顾如通信、导航、探测感知等多种功能，这些功能需要利用不同频段的电磁波实现。在以往的应用中常采用多个天线分别覆盖这些电磁波频段，这使整个系统的体积庞大且实现的成本过高。近年来，融合多种功能的射频系统逐渐取代原来单一... 展开 现代无线系统需要兼顾如通信、导航、探测感知等多种功能，这些功能需要利用不同频段的电磁波实现。在以往的应用中常采用多个天线分别覆盖这些电磁波频段，这使整个系统的体积庞大且实现的成本过高。近年来，融合多种功能的射频系统逐渐取代原来单一功能的系统应用于各种无线设备中，其利用超宽带阵列技术可在单辐射口径下实现对各功能频段的覆盖，从而极大地降低系统的成本。随着电子技术的发展，这一先进概念被广泛地推广至更多的应用场景，这同时也对系统的关键器件—天线阵列提出了更高的要求。 结合上述应用需求，研究者们提出了多种形式的超宽带阵列天线。其中，紧耦合阵列由于其出色的性能在近些年受到广泛的关注。尽管经过多年的研究，基于紧耦合的超宽带阵列技术得到了很大的发展，然而这类阵列依然存在结构复杂、扫描角度有限等问题。针对这些问题，本文从紧耦合阵列的基本分析方法入手，对基于紧耦合的超宽带阵列大角度扫描技术进行了详细的研究，主要包含两部分内容：一是超宽带阵列的宽角匹配技术；二是超宽带阵列的扫描角扩展技术。本文工作可概括如下： 1.基于频率选择表面（frequencyselectivesurface,FSS）结构加载的平面紧耦合阵列宽角匹配技术研究 首先研究了利用频域格林函数求解横向连接电容耦合偶极子的解析方法。通过修正偶极子表面的横向电流分布，使该方法可准确得到横向连接的电容耦合偶极子的输入阻抗。相比传统紧耦合偶极子，此种偶极子形式具有低的输入阻抗，更易匹配。然后提出了一种以横向连接的电容耦合偶极子为基本结构的完全平面化的紧耦合阵列，通过加载FSS结构使得该阵列可以在3.8:1带宽内实现±60°扫描。之后，针对TE与TM模式电磁波阻抗随角度变化不一致的问题，提出了一种极化敏感的FSS结构，该结构可通过调节两个结构参数，分别控制FSS结构对TE和TM极化波的响应，进而分别改善阵列E面和H面扫描的阻抗匹配。得益于该结构的这一特性，基于该极化敏感FSS加载的阵列可在3.7:1带宽范围内E/D面实现±75°扫描，H面实现±60°扫描。最后通过实验验证了该阵列的可行性。 2.基于多层金属条带加载的立式紧耦合阵列宽角匹配技术研究 提出了一种基于多层金属条带加载的立式超宽带紧耦合偶极子阵列，并提出了针对此结构的等效电路模型。相比于传统的等效模型，所提出的模型具有较高的准确度，可有效指导阵列的优化设计。所加载的多层金属条带在偶极子和自由空间之间提供了平滑的阻抗变换，因此可以提升紧耦合偶极子阵列的性能。结合等效电路，通过优化金属条带的结构参数，该阵列可在6.2:1带宽范围内实现±60°扫描。同时，得益于所提出的多层金属条带加载，该阵列可以避免复杂的馈电结构，具有轻重量和低成本的优势。 3.基于方向图可重构天线的时域阵列扫描角扩展技术研究 提出利用方向图可重构技术扩展时域脉冲辐射阵列的扫描角度。设计了一种超宽带方向图可重构天线，并从能量方向图和波形保真度两个角度研究了该天线的时域特性。该天线可使用两个开关控制能量方向图工作在三种模式下，三种模式下能量方向图的3dB波束宽度可共同覆盖±70°的范围。通过三种模式的动态切换，以该天线单元组成的一维阵列可以实现±70°扫描。同时，仿真与实测结果表明该阵列在扫描范围内可以提供超过0.75的波形保真度。 4.基于时延透镜的宽带阵列扫描角扩展技术研究 提出使用时延透镜扩展宽带阵列的扫描角度。提出了一种以紧耦合偶极子为基本周期单元的接收-发射（Receive-Transmit,R-T）透镜，以该透镜单元组成的梯度表面对7到11.5GHz频段内的电磁波具有相同的折射率。之后，利用一维Vivaldi阵列验证了所设计的梯度时延透镜可将阵列的扫描角度由40°扩展到60°。该技术可用于扩展以下两类阵列的扫描角度。一是有源单元方向图的波束宽度较窄的阵列；二是由于单元间距超过半波长，扫描过程中会出现栅瓣的阵列。 收起