高效率毫米波宽角相控阵天线关键技术研究

Millimeter-wave phased array radars are one of the most important developing directions of radar technologies in the future, due to their high-resolution and high-precision properties. It is a challenging and fundamental research topic to improve efficiency of millimeter-wave phased arrays and to broaden scanning angle for the best exhibition of their advantages, which are also an important and urgent task confronted by the development of millimeter-wave phased arrays. This proposal is aimed to study array architectures and synthesis methods of novel millimeter-wave phased arrays for high efficiency and wide scanning angle, based on multi-port elements and overlapped subarrays. It includes two main contents: one is researches on the operating principles of efficiency improvement and synthesis methods of the millimeter-wave phased arrays based on multi-port elements, and the other is studies on the operating principles of broadened scanning angle and integrated optimization methods of the high-efficiency phased arrays based on overlapped subarrays. Based on full-wave simulations and antenna array theories, researches on the methods to build macro model of the multi-port elements will be performed, as well as researches on the integrated optimization methods and theoretical models of the millimeter-wave phased arrays with high efficiency and wide scanning angle. By theoretical analysis, electromagnetic simulations, and experimental studies, we will explore the fundamental principles of efficiency improvements by the multi-port elements and those of scanning-angle extension by the overlapped subarrays for the proposed millimeter-wave phased arrays. This research will provide optimized array architectures, reliable theoretical fundations and efficient array synthesis methods for extensive applications of the proposed high-performance millimeter-wave phased arrays.

毫米波相控阵雷达由于具备高分辨率、高精度特性，是未来雷达技术最重要的发展方向之一。如何提高毫米波相控阵系统的效率、如何实现宽角扫描，从而最大程度地展现毫米波相控阵的优势，是极富挑战性的基础研究课题，也是毫米波相控阵发展急需解决的重要课题。本项目旨在基于多端口阵元和重叠子阵结构，研究新型的高效率毫米波宽角相控阵天线结构与综合设计方法，包括：基于多端口阵元的高效率毫米波相控阵天线工作机理及综合设计方法研究；重叠子阵高效率毫米波相控阵天线的宽角扫描机理及综合优化方法研究。以全波电磁仿真及阵列天线理论为基础，研究多端口阵元宏模型的建模方法、高效率毫米波宽角相控阵的理论模型及综合优化方法。通过理论分析、电磁仿真、实验研究的手段，探索以多端口阵元提高毫米波相控阵效率、以重叠子阵结构拓展其扫描范围的机理，为高性能毫米波相控阵天线的广泛应用提供最佳的阵列结构、可靠的理论依据及高效的综合设计方法。

当前随着收发组件成本的下降，相控阵天线在军事和民生领域大规模的应用已经成为可能。在此之前人们必须首先解决相控阵天线自身所面临的的一些瓶颈问题，如如何进一步扩展相控阵天线的扫描范围、如何从相控阵天线设计的角度大幅度降低系统的成本并提高系统效率、如何解决毫米波相控阵天线面临的馈电或制备等等。. 本项目正是在此背景下提出的，旨在解决相控阵天线的宽角波束扫描问题，从系统拓扑角度设计低成本的相控阵天线、提高相控阵系统效率，并研究毫米波相控阵天线单元尺寸过小所导致的设计难题，为相控阵天线的大规模应用提供理论和技术支撑。. 本项目取得了如下重要研究成果：.1. 基于重叠子阵的宽角扫描阵列。重叠子阵技术能够有效解决相控阵天线宽角扫描时由互耦导致的增益下降、驻波比恶化等问题。本项目设计了基于连接耦合器、连接功分器等重叠子阵网络，同时还设计了重叠口径的背腔天线单元，最大可以在保持驻波比2:1的条件下将扫描角度扩展至70度，且几乎不增加天线阵的复杂度，阵列剖面高度保持在0.1波长以内。.2. 宽角扫描强互耦相控阵。所设计的宽角扫描相控阵天线可以在3:1的频段内实现E面+/-75度、H面+/-45度的扫描能力，且驻波比小于2.5，整体剖面小于0.25最小工作波长。.3. 低成本相控阵天线。本项目提出的基于多端口单元的低成本背腔式稀疏周期相控阵天线可以有效降低天线阵馈电端口的数量，因此从系统拓扑结构的角度大幅度降低系统成本，根据不同的多端口单元结构，系统成本可以降低50%以上，该成果适用于有限视角的相控阵天线设计中。.4. 面向相控阵应用的毫米波天线技术。本项目探索了基于介质集成的低成本毫米波天线阵技术，可以用于毫米波相控阵天线的设计中。 .5. 相控聚焦阵。通过相控阵天线技术，将能量有效聚焦在近场指定的焦点位置上，并实现焦点位置的相控扫描，该成果已经应用到为华为公司开发的相控透镜天线中。