用于低剖面宽角扫描相控阵的特殊子阵研究

The design of low profile wide-angle scanning phased array has always been one of the hot and challenging problems. To meet the gain requirement for the low profile phased array that it keeps smooth over a wide range of scanning angle, or has a higher gain for the larger scanning angle, a novel solution is proposed in this project by using the subarray with specific beam shape as the element of phased array. The phased array composed of this special subarray will have the characteristics of light weight, thin thickness, low cost and so on. Focusing on the design of subarray, some studies are developed, including the selection and layout of the micro elements in the subarray, the shaped beam technology for array with strongly coupled elements, and the feeder design in the subarray. . The array synthesis method based on phase conjugation can implicitly take the element mutual coupling into account, and consequently, it is competent for antenna array with arbitrary element type, array configuration and shape. To achieve accurate beam pointing control of beam-steering array with complicated structure, we introduce phase conjugation into the array synthesis by directly utilizing the fascinating physical phenomenon of phase conjugation in this project. On this basis, the shaped beam method based on phase conjugation for array with strongly coupled elements is performed by superimposing some single beam. The design difficulty of subarray is reduced extremely by using phase conjugation to instruct the type selection and layout of the micro elements in the subarray.

低剖面宽角扫描相控阵的设计一直是相控阵研究领域的热点和难点问题之一。该项目提出通过使用具有特定波束形状的子阵作为相控阵天线的单元，以实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益，或者满足在大扫描角时增益更高的要求。基于该子阵所设计的相控阵天线，具备重量轻、厚度薄、成本低等特点。围绕子阵的设计展开研究，包括构成子阵的微小单元类型的选择及布局、强耦合状态下的阵列波束赋形技术、子阵的馈线设计等。. 基于相位共轭技术的阵列天线综合方法能够自动将阵元间的耦合影响考虑进去，适用于任意阵元类型、任意布局及外形的阵列。本项目将相位共轭技术引入阵列天线的综合中，直接利用相位共轭这一物理现象的特点，实现复杂结构阵列的精确波束指向控制。以此为基础，通过若干单波束叠加的方式实现基于相位共轭技术的强耦合状态下的阵列波束赋形。以相位共轭技术来指导子阵的单元类型选择和布局，使子阵的设计难度大为降低。

本项目通过使用具有特定波束形状的子阵作为相控阵天线的单元，以实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益，或者满足在大扫描角时增益更高的要求。围绕子阵的设计展开研究，包括构成子阵的微小单元类型的选择及布局、强耦合状态下的阵列波束赋形技术、子阵的馈线设计等。根据项目研究过程中遇到的实际问题，开展了子阵的结构及馈电方式改进、大扫描角度下有源驻波的改善等研究工作。. 该项目提出的波束赋形方法，既无需构造设计对象的方向图目标函数，又克服了传统阵列综合方法因忽略阵元互耦以及载体散射而导致计算结果不准确的问题，整体设计过程简单、高效、灵活。赋形波束具有很高的极化纯度，且不受阵元排布形式的限制，相比于目前公开发表的各种波束赋形算法，所提出的算法具有相当的优势。. 所研究的微小单元类型包括位于反射板上方的三元和五元偶极子构成的强耦合子阵、线极化微带单元构成的子阵、圆极化微带单元构成的子阵等。对于不同类型的子阵，实现特殊波束形状所要求的馈电网络的设计难度不同。用基于电磁偶极子的复合天线单元和近距离位于反射板上方的水平极化偶极子单元这两种类型的单元来代替子阵，可以免去复杂的馈电网络设计，降低了天线的损耗和设计难度。与依靠馈电网络实现的强耦合子阵相比，结构更为简单，损耗更低，波束扫描范围相当。. 在大扫描角度下，相控阵天线的有源驻波往往恶化明显，这也是相控阵天线设计中普遍存在的难点问题。降低有源驻波的关键在于提高阵列单元之间的隔离度。现行的提高阵列单元之间的隔离度的方法，往往会破坏阵元的方向图，而在我们的方案中，方向图的也是设计目标之一。我们已经设计出一种方案，能够显著提升单元间的隔离度，且对方向图的影响很小。. 目前可以实现低剖面相控阵在±70度内的扫描，增益变化保持在2dB以内，且有源驻波控制在2.4以下，频带宽度在10%以上。所研究的内容和研究取得的成果，较好地完成了预定的研究目标。