寬角掃描相控陣技術(shù)的發(fā)展研究文獻(xiàn)綜述通常由于受天線單元波束寬度、互耦等影響，常規(guī)相控陣天線的波束掃描范圍通常限制在±45°以內(nèi)，同時(shí)伴隨有4~5dB的增益下降，這嚴(yán)重制約了相控陣天線的波束掃描能力與區(qū)域覆蓋效果[55]。目前，對(duì)于相控陣寬角掃描的研究主要集中在擴(kuò)大掃描范圍，并且降低掃描損失，包括天線波束寬度、寬角匹配、表面波和互耦等研究。相關(guān)已公開寬角掃描的研究工作可以歸結(jié)于以下幾個(gè)方面。寬波束天線單元圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s114波束寬度仿真方向圖[58]相控陣天線的掃描方向圖，根據(jù)方向圖乘積定理，可以近似等效為陣中單元方向圖與陣因子的乘積，因此，通過合適方式，展寬天線單元的波束寬度，可以使得控陣天線的掃描增益變化更加平緩，擴(kuò)展相控陣天線的掃描范圍，提升區(qū)域覆蓋效果[56,57]。關(guān)于天線波束的展寬方式，文獻(xiàn)[58]從鏡像原理出發(fā)，對(duì)電壁、磁壁以及電流、磁流進(jìn)行了研究，并探討了它們之間的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)于天線波束寬度的影響，根據(jù)不同的位置關(guān)系及類型進(jìn)行組合，作者將其歸結(jié)8種方式，分別為電流平行于電壁（JpE），磁流平行于電壁（MpE），電流垂直于電壁（JvE），磁流垂直于電壁（MvE），電流平行于磁壁（JpM），磁流平行于磁壁（MpM），電流垂直于磁壁（JvM）以及磁流垂直于磁壁（MvM），并給出了不同位置關(guān)系的天線方向圖，如REF_Ref69550740\h圖1.14所示。由圖中可以看出，相比于其他幾種方式，MpE類型和JpM類型的天線方向圖可以覆蓋整個(gè)上半空間，具有明顯的寬波束特性。選用此類天線單元作為相控陣陣中單元，將會(huì)極大地改善陣列天線的波束掃描性能。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s115寬波束磁電偶極子天線及陣列[59]圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s1162D掃描陣列天線[60]文獻(xiàn)[59]設(shè)計(jì)了一種微帶磁電偶極子天線，如REF_Ref69550764\h圖1.16所示。該天線由一個(gè)同軸直饋的微帶電偶極子和一個(gè)背腔槽所組成，通過調(diào)節(jié)兩者之間的相位差，實(shí)現(xiàn)了圓極化的寬波束，該天線單元具有128°的3dB波束寬度?；诖藛卧?，設(shè)計(jì)了一個(gè)1×8磁電偶極子線陣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線可以在5.6GHz頻率處實(shí)現(xiàn)±66°的波束掃描范圍。針對(duì)兩維（2D）相控陣天線的大角度掃描問題，文獻(xiàn)[60]提出了一種帶有寄生結(jié)構(gòu)的微帶天線單元，如圖通過采用多目標(biāo)遺傳算法來優(yōu)化寄生層的圖案形狀，從而實(shí)現(xiàn)寬波束效果。該天線單元覆蓋5.13GHz~5.28GHz的頻帶范圍，在兩個(gè)正交切面具有188°和156°的3dB波束寬度，遠(yuǎn)大于常規(guī)微帶天線單元的波束寬度?；诖颂炀€單元，設(shè)計(jì)了一個(gè)8×8的方形陣列，實(shí)現(xiàn)了±75°的二維掃描能力。方向圖可重構(gòu)天線單元除了探尋單元天線的寬波束效果來拓展相控陣天線的掃描范圍以外，還有一些文獻(xiàn)通過將“可重構(gòu)”的概念引入到天線單元的設(shè)計(jì)中，采用諸如二極管等開關(guān)控制器件，使得天線具有不同工作模式和不同的方向圖特性，實(shí)現(xiàn)不同模式下方向圖在空間上的互補(bǔ)特性，從而拓展相控陣天線的高增益掃描區(qū)域[61-63]。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s117可重構(gòu)天線、工作模式及掃描區(qū)域分割[65]基于方向圖可重構(gòu)的天線單元設(shè)計(jì)，技術(shù)上大體上可以分為兩類，一類是采用諸如二極管等控制器件，通過其開關(guān)狀態(tài)的不同組合方式，來實(shí)現(xiàn)方向圖的可重構(gòu)[64]。文獻(xiàn)[65]通過引入二極管進(jìn)行天線模式的控制，設(shè)計(jì)出一款具有3種波束狀態(tài)的微帶天線，如REF_Ref69684851\h圖1.17所示。通過二極管不同工作狀態(tài)的組合，可以實(shí)現(xiàn)單元天線θ=+3°、+62°和-55°三種主波束指向，同時(shí)天線單元增益波動(dòng)只有0.6dB。利用該有源天線組成1×4相控陣天線，根據(jù)波束掃描覆蓋的不同區(qū)域，調(diào)整每個(gè)單元二極管的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了35GHz頻率處的寬角掃描。實(shí)驗(yàn)證明，該相控陣天線可以實(shí)現(xiàn)±75°的主波束掃描范圍，得益于單元天線在不同模式下較低的增益波動(dòng)，該天線在較寬的波束掃描角域內(nèi)可以保證小于3dB的增益損失。另一類是利用不同模式方向圖的空間互補(bǔ)特性[66,67]。該方法的理論基礎(chǔ)是微帶天線的模式理論，例如矩形微帶天線工作于主模時(shí)，其方向圖為邊射方向圖，而當(dāng)其工作于高次模時(shí)，其方向圖具有錐形特性，因此，可以利用微帶天線在不同工作模式下的方向圖差異性，實(shí)現(xiàn)天線方向圖在空間上的互補(bǔ)。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s118多模微帶天線及不同模式的方向圖[68]文獻(xiàn)[68]設(shè)計(jì)了一種雙極化多模微帶貼片天線，天線覆蓋4.92GHz~5.07GHz頻率范圍，如REF_Ref69684875\h圖1.18所示，通過采用開槽方形貼片及圓形貼片，分別激勵(lì)起TM10/TM01模和TM21高次模。當(dāng)天線工作于TM10/TM01模時(shí)，該天線具有82.7°的3dB波束寬度，方向圖為邊射形狀；當(dāng)天線工作于TM21模時(shí)，天線方向圖為錐形特性，具有65°的3dB波束寬度。通過兩個(gè)模式之間的互相轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)天線上半空間的寬波束覆蓋效果。利用該天線單元組成一個(gè)8×8的方形相控陣天線，可以實(shí)現(xiàn)主波束±64°的2D空間掃描。降低或利用陣元間的互耦特性當(dāng)相控陣掃描到低仰角時(shí)，陣元之間的互耦會(huì)使得天線的有源駐波急劇變大，造成輸入信號(hào)的能量發(fā)生強(qiáng)反射或者全反射，導(dǎo)致主波束的掃描增益嚴(yán)重下降，從而形成波束掃描盲區(qū)，嚴(yán)重制約了相控陣天線的區(qū)域覆蓋能力[69]。針對(duì)相控陣單元之間的互耦問題，最直接的辦法就是通過增加抑制結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)陣元間的互耦抑制[70]。文獻(xiàn)[71]設(shè)計(jì)了一款1×16單元的微帶陣列天線，為了擴(kuò)展其波束掃描范圍，作者在微帶陣列天線的單元之間引入如REF_Ref69550780\h圖1.19所示的互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了相鄰單元之間-35dB以下的端口隔離，單元之間的互耦得到了很好的抑制。基于此，此微帶陣列天線獲得了±66°的寬波束掃描范圍，同時(shí)，整個(gè)掃描范圍內(nèi)，增益損失不超過3.04dB，拓展了傳統(tǒng)微帶陣列天線的寬角掃描能力。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s119相控陣天線及所采用的互耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[71]近年來，人工電磁超材料得到了快速發(fā)展，利用周期性單元結(jié)構(gòu)可以獲得自然界材料所不具有的材料特性，諸如負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、同向反射帶隙、表面波抑制帶隙、極化旋轉(zhuǎn)等特性[72-74]。電磁超材料所具有的可設(shè)計(jì)的超常物理特性，為陣元互耦的解決提供了新的思路。文獻(xiàn)[75]設(shè)計(jì)了一種寬帶背腔天線，通過在天線單元之間加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)，利用其表面波抑制帶隙，降低了陣元之間的互耦，從而抑制了E面的掃描盲區(qū)。利用該單元組成了13×5的三角型陣列，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的天線陣列，可以在7~13GHz的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)二維±60°的波束掃描，如REF_Ref69550790\h圖1.20所示。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s120加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的寬帶背腔天線[75]圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s121加載極化旋轉(zhuǎn)隔離結(jié)構(gòu)的微帶陣列天線[76]為了降低天線單元互耦，文獻(xiàn)[76]設(shè)計(jì)了一種極化旋轉(zhuǎn)隔離器，利用其極化旋轉(zhuǎn)特性，可以將單元之間的互耦電流轉(zhuǎn)換為垂直方向。通過設(shè)置不同的極化旋轉(zhuǎn)隔離器，使得極化轉(zhuǎn)換以后的互耦場(chǎng)強(qiáng)方向可以相互抵消，從而降低互耦電流對(duì)于輻射方向圖的影響，提升單元隔離度。利用該方法，可以在5.76GHz~6.02GHz的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)±72°的波束掃描，整個(gè)掃描區(qū)域內(nèi)，增益損失小于2.5dB，陣列拓?fù)浼皰呙杼匦匀鏡EF_Ref69550804\h圖1.21所示。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s122緊耦合偶極子陣[81]另一種解決單元互耦的思路是基于連續(xù)電流屏陣列的概念，通過在陣元天線間加入無耗電路，利用陣元間的耦合，提升天線的阻抗匹配性能，實(shí)現(xiàn)陣列的寬角阻抗匹配，其中比較典型的是緊耦合偶極子陣和互聯(lián)陣[77-80]。文獻(xiàn)[81]提出了一種非對(duì)稱的偶極子相控陣天線，如REF_Ref69550841\h圖1.22所示，該天線可以在X頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)E面±70°掃描和H面±60°掃描。抑制或利用表面波微帶貼片天線于1974年由Munson首次提出，它具有易共形、低剖面、尺寸小、重量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為現(xiàn)代通信與探測(cè)系統(tǒng)所青睞的天線形式。但是其窄帶諧振的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其無法滿足大帶寬場(chǎng)景下的應(yīng)用需求。為此，提出了多種展寬微帶天線帶寬的方法。其中，采用厚介質(zhì)是一種拓展微帶貼片天線帶寬簡單而有效的方式，但厚介質(zhì)也帶來了更加嚴(yán)重的表面波效應(yīng)，使得微帶陣列天線在波束掃描的過程中存在掃描盲區(qū)，嚴(yán)重制約了微帶陣列天線的掃描范圍[82,83]。為了解決厚介質(zhì)微帶相控陣天線的帶寬與掃描角度之間的矛盾，提出了多種抑制表面波的方法，包括更改介質(zhì)基板、增加金屬擋板、加載諸如電磁帶隙結(jié)構(gòu)、采用缺陷地結(jié)構(gòu)、增加短路探針等方式，但是由于加工實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性以及空間的約束和限制，使得這些方法往往不太實(shí)用，大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段[84]。背腔微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，可以很好的滿足微帶陣列天線寬帶、寬角掃描的需求。文獻(xiàn)[85]針對(duì)無限大的探針饋電圓形微帶貼片背腔天線相控陣進(jìn)行分析，如REF_Ref69550884\h圖1.24所示，充分考慮了介質(zhì)厚度對(duì)于陣列工作帶寬和掃描區(qū)域的影響，并與傳統(tǒng)的探針饋電圓形貼片天線進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用了背腔天線形式，漏波模式得到了很好的抑制，掃描范圍由原來的65°提升至85°，實(shí)現(xiàn)了基于厚介質(zhì)的寬帶微帶貼片天線的寬角度掃描。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s123圓形貼片背腔微帶陣列天線圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s124圓形貼片背腔微帶陣列天線E面和H面有源反射系數(shù)[85]加載寬角匹配層技術(shù)圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s125加載寬角匹配層的緊耦合陣列[86]相控陣天線的有源輸入阻抗隨掃描角度而變化，當(dāng)波束掃描范圍較小時(shí)，天線各端口阻抗匹配良好，天線具有良好的掃描增益。而當(dāng)波束掃描到較大角度時(shí)，天線的阻抗通常不能與自由空間的波阻抗實(shí)現(xiàn)良好匹配，從而導(dǎo)致大部分能量被反射回來，形成掃描盲區(qū)。通過加載天線的寬角匹配結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)天線掃描時(shí)的表面阻抗，使得天線在大角度掃描范圍內(nèi)具有良好的匹配條件，從而實(shí)現(xiàn)電磁波能量的有效輻射。文獻(xiàn)[86]設(shè)計(jì)了一款超表面結(jié)構(gòu)的寬角匹配層，如REF_Ref69550901\h圖1.25所示，并將其放置于交疊型緊耦合偶極子天線的上方來改善天線掃描時(shí)的匹配效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，加載了寬角匹配層的陣列天線，可以實(shí)現(xiàn)±60°的波束掃描范圍，掃描增益損失在3dB以內(nèi)。除此之外，還有共形曲面陣列[87,88]等方式，也可以展寬相控陣掃描范圍，這里就不再一一贅述。綜上所述，從目前的研究成果可以看出，通過一些寬角掃描的手段，相控陣的波束掃描可以提升至±75°，甚至更大的角度，極大地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有相控陣的波束掃描能力。但是同時(shí)仍存在一些限制，如大角度掃描的帶寬通常比較受限，如何實(shí)現(xiàn)寬帶、甚至超寬帶相控陣的大角度掃描仍然具有極大的挑戰(zhàn)性。近年來，天線的研究越來越趨向于高頻段，如毫米波頻段、太赫茲頻段。由于天線陣列的單元尺寸小，文獻(xiàn)中所展示的用于低頻段的大角度掃描方法，在這些高頻段往往難以實(shí)現(xiàn)，因此，如何拓展毫米波頻段、甚至太赫茲頻段相控陣天線的波束掃描范圍也變得更加具有研究價(jià)值。再者，當(dāng)前頻譜資源競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，極化信息已成為新的研究熱點(diǎn)。在雷達(dá)探測(cè)中利用極化信息可以有效提高目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別精度，提升電子設(shè)備的干擾和反干擾能力；在通信系統(tǒng)利用極化信道提高通信容量，改善多徑衰落，提高通信質(zhì)量。雙極化乃至多極化相控陣天線的應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富，目前所報(bào)道的研究更多集中于單極化天線的一維或者二維掃描范圍展寬問題，而對(duì)雙極化乃至極化可重構(gòu)天線的掃描波束展寬問題研究相對(duì)較少，因此如何實(shí)現(xiàn)雙極化或者極化可重構(gòu)相控陣天線的寬帶寬波束掃描范圍也是具有非常高的學(xué)術(shù)研究價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。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)通信大會(huì)上發(fā)布新一代5G全系列基站產(chǎn)品[EB/OL].魯瑾.星鏈耀空[J].創(chuàng)新世界周刊,2020(01):22-23.劉全,葛新,李健十.美國NGSO寬帶通信星座系統(tǒng)管理政策研究（上）[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò),2020(04):60-6