寬帶掃描相控陣研究文獻(xiàn)綜述無線系統(tǒng)容量和傳輸速率的不斷提升，對(duì)相控陣天線的工作帶寬提出了更高的要求。為了滿足日益增長(zhǎng)的高速率、低時(shí)延、大容量通信需求，寬帶相控陣技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與深入研究。傳統(tǒng)寬帶相控陣設(shè)計(jì)主要以寬帶天線單元為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有寬帶特性或者超寬帶特性的天線單元，然后按照陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶相控陣天線。近年來，相控陣陣元之間的耦合特性得到研究人員的關(guān)注，從互耦的補(bǔ)償或者抑制角度出發(fā)，構(gòu)建寬帶掃描相控陣，為寬帶相控陣技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路。已公開的寬帶/超寬帶相控陣天線的相關(guān)研究工作可以歸大體可以結(jié)于以下幾個(gè)方面?；趯拵炀€單元的寬帶/超寬帶相控陣天線傳統(tǒng)的寬帶天線單元形式包括錐形螺旋天線[28,29]、平面螺旋天線[30,31]、對(duì)數(shù)周期天線[32,33]和指數(shù)漸變槽天線（Vivaldi）天線[34,35]等。對(duì)單元天線進(jìn)行組陣時(shí)應(yīng)充分考慮單元間距及互耦的影響，避免因間距過大導(dǎo)致掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)柵瓣或因間距過小導(dǎo)致互耦較強(qiáng)而產(chǎn)生掃描盲區(qū)的問題。文獻(xiàn)[36]提出了一種寬帶雙極化天線陣列，如REF_Ref69550202\h圖1.6所示，該天線陣列采用雙極化阿基米德平面螺旋天線作為天線單元，并采用8陣元圓環(huán)布陣方式。在天線單元的基礎(chǔ)上，通過遺傳算法對(duì)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終在0.94~2.1GHz的頻帶范圍實(shí)現(xiàn)陣列天線的±30°掃描。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s16平面螺旋天線雙極化相控陣[36]文獻(xiàn)[37]介紹了一種超寬帶雙極化天線陣列，如REF_Ref69550604\h圖1.7所示，天線單元采用全金屬Vivaldi天線形式，陣列規(guī)模為10×10，其中中心處8×8為有源雙極化陣列天線，外圍32個(gè)天線單元為非饋電天線單元，外接50歐匹配負(fù)載，以弱化陣列天線的邊緣效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該陣列天線可以覆蓋2~18GHz的頻帶范圍，具有9:1寬帶工作頻程，并且可以實(shí)現(xiàn)±30°的波束掃描，整個(gè)頻帶范圍內(nèi)具有良好的增益穩(wěn)定性。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s17小型化Vivaldi陣列天線[37]文獻(xiàn)[38]設(shè)計(jì)了一種平衡對(duì)跖型Vivaldi陣列天線，如REF_Ref69550580\h圖1.8所示，該陣列天線相比于常規(guī)Vivaldi天線剖面具有更低的剖面高度。天線通過采用漸變槽線的饋電方式，解決了常規(guī)Vivaldi天線的饋電巴倫結(jié)構(gòu)對(duì)其工作帶寬的限制，并改善了天線的交叉極化特性。在改進(jìn)饋電方式的基礎(chǔ)上，通過引入了“U”形接地槽，進(jìn)一步展寬了天線的工作頻帶。該陣列天線最終實(shí)現(xiàn)了10:1的阻抗帶寬，且能夠?qū)崿F(xiàn)45°的掃描角度。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s18平衡對(duì)跖型Vivaldi天線陣列[38]對(duì)于應(yīng)用于毫米波段的寬帶相控陣天線，文獻(xiàn)[39]提出了一種寬帶高增益的微帶陣列天線，如REF_Ref69550621\h圖1.9所示。該陣列天線采用了一種新穎的垂直耦合諧振結(jié)構(gòu)，通過在微帶天線的金屬地平面上開設(shè)“U”形槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射貼片的耦合饋電，從而在不增加天線剖面高度的同時(shí)，顯著增加天線的工作帶寬。該陣列天線采用1×4子陣負(fù)載匹配式寬帶功分器對(duì)天線單元進(jìn)行幅度與相位饋電，可進(jìn)一步展寬天線的阻抗帶寬。文獻(xiàn)公開了兩款4×4規(guī)模的陣列天線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所公開的毫米波段陣列天線可以在22~32GHz的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±25°的波束掃描，相對(duì)帶寬達(dá)37%，且法向增益約為19dBi。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s19毫米波寬帶掃描陣列天線[39]基于緊耦合陣列的寬帶/超寬帶相控陣天線2003年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的B.Munk教授提出了一種偶極子陣列天線，該陣列天線通過在相鄰單元之間進(jìn)行電容連接，從而形成強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)陣列天線的超寬帶工作特性[40]。與傳統(tǒng)的寬帶天線單元組陣不同，基于無限大電流/磁流片概念的緊耦合陣列，是利用耦合來設(shè)計(jì)超寬帶陣列的新形式。REF_Ref69550640\h圖1.10展示了一種雙線極化緊耦合陣列天線，該陣列天線可以實(shí)現(xiàn)最大9:1的工作頻程，覆蓋2~18GHz的頻率范圍[41]。這種緊耦合陣列采用了緊耦合偶極子天線作為天線單元，并且通過折疊巴倫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了寬帶的平衡饋電。同時(shí)，為了在低頻處實(shí)現(xiàn)與偶極子天線的良好匹配，該陣列天線采用頻率選擇表面（FSS）代替了傳統(tǒng)的介質(zhì)材料，同時(shí)也簡(jiǎn)化了加工和裝配的難度。該緊耦合陣列天線由11×11個(gè)天線單元所組成，在2~18GHz的頻率范圍駐波小于3.0，且能夠?qū)崿F(xiàn)E面、H面和D面±60°的波束掃描。整個(gè)天線的剖面高度小于12mm，具有良好的低剖面特性。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s110雙線極化緊耦合陣列天線[41]圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s111開口環(huán)加載的低剖面緊耦合陣列天線[42]文獻(xiàn)[42]公開了一種輕量化的雙極化寬帶緊耦合陣列天線。陣列為1×26線陣，如REF_Ref69550664\h圖1.11所示，單元采用偶極子天線。陣列中采用了一種新的寬角匹配層，以補(bǔ)償波束掃描情況下的阻抗變化。與傳統(tǒng)的由分層介電板組成的寬角阻抗匹配層相比，這種匹配層大大降低了陣列的重量。該天線陣面寬度在一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)±60°波束掃描，在垂直極化和水平極化中分別實(shí)現(xiàn)了5:1和4:1的工作帶寬。除了偶極子天線，其他寬帶天線單元形式也可以作為緊耦合陣列的單元形式，比如Vivaldi[43,44]、對(duì)稱陣子[45,46]、螺旋天線[47,48]、微帶貼片天線[49,50]、磁電偶極子天線[51,52]等。文獻(xiàn)[53]公開了一種超寬帶緊耦合漸變槽陣列天線，如REF_Ref69550679\h圖1.12所示。該陣列天線由8個(gè)緊密排列的Vivaldi天線沿二維拓展所構(gòu)成，天線單元采用多層PCB形式。該陣列天線可以在5GHz~50GHz的超寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±60°掃描，且法向波束的駐波小于1.6，60°掃描時(shí)的駐波小于2.9，天線在最大掃描情況下，輻射效率大于75%。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s112超寬帶Vivaldi緊耦合陣列[53]圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s113毫米波緊耦合相控陣[54]文獻(xiàn)[54]提出了一種毫米波頻段的線極化寬帶相控陣天線，如REF_Ref69550702\h圖1.13所示。該陣列天線由磁電偶極子天線作為天線單元，通過采用縫隙耦合的饋電方式，替代了傳統(tǒng)的巴倫饋電結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了加工工藝。同時(shí)，為了抑制后向輻射，采用理想磁導(dǎo)體（PMC）表面作為該陣列天線的地平面。該陣列天線由16×16個(gè)天線單元所組成，能夠在20GHz~40GHz帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±60度的波束掃描，掃描駐波小于2.65，掃描增益損失小于6dB。參考文獻(xiàn)張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007:384-388.R.J.Mailloux.PhasedArrayAntennaHandbook,SecondEdition[M].Boston:ArtechHouse,1994:27-38.王小謨,張光義.雷達(dá)與探測(cè),第二版[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008:2-10.羅裙,周萬幸,馬林.世界雷達(dá)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005:3-44.鄧斌.寬帶寬角掃描相控陣天線系統(tǒng)[D].南京:南京大學(xué),2018.張成.有源相控陣天線波束賦形與布陣技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2020.張航宇.緊耦合天線陣超寬帶寬角掃描及低剖面化技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2020.丁卓富.平面緊湊型多功能相控陣天線陣面關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2018.楊光偉.寬角掃描相控陣天線研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2019.ARTOFDefenseInformationDefenseProducts&ServicesSectors[EB/OL][2021-4-18]MicrosystemsTechnologyOffice.Millimeter-WaveDigitalArrays(MIDAS)[R].USA:BroadAgencyAnnouncement,2018.LiJX,ZhangK,WangZandetal.Dual-bandeightantennaarraydesignforMIMOapplicationin5Gmobileterminals[J].IEEEAccess,2019,V7:71636-71644.NovakMH,MirandaFA,VolakisJK.Ultra-widebandphasedarrayformillimeter-waveISMand5Gbands,realizedinPCB[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2018,V66(12):6930-6938.劉義鶴.5G通信新材料研究進(jìn)展[C].新材料進(jìn)展,2019,V8:51-53.CuiYH,WuLJ,LiRL.Bandwidthenhancementofabroadbanddual-polarizedantennafor2G/3G/4gGandIMTbasestations[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2018,V66(12):7368-7373.中興通訊在2018年世界移動(dòng)通信大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