超宽角度范围波束扫描平面相控阵天线基础理论与关键技术研究

Due to the simple structure, low cost and other advantages, two-dimensional planar phased array has been the focus of phased array research. As a result of the ability to transmit and receive electromagnetic waves in the full or approximate full-visible space, the planar phased array with wideband and wide-angle scanning capability has become the main trend of planar phased array antenna development. Based on the planar phased array, this project aims to investigate the basic theories and key technologies in wide-angle scanning planar phased array from the physical mechanism to the rational experiment, from the computable modeling to the quantifiable design and from the optimization simulation to the integrated program. Our research includes the mechanism of scan angle limit and scan angle enlargement, the new methods to realize wide-angle scanning, the wide band and wide scanning angle resonant-type planar phased arrays, the wide band and wide scanning angle tightly coupled quasi-traveling wave planar phased arrays, the effective matching technique with wide angle scanning, the intelligent electromagnetic methods of simulation, optimization and synthesis, and the principle experiments. Through the theoretic analysis, electromagnetic simulation and experiment study, this project provides the optimal architecture, reliable theoretic basis, efficient and accurate design approach and prototypes verified by the principle experiments for the high-performance planar wide-angle phased arrays.

二维平面相控阵由于结构简单、成本低等诸多优势，一直是相控阵研究的重点方向，而具有宽带、超宽角度范围波束扫描能力的平面相控阵由于能在全\准可视空间内收发电磁波，成为了平面相控阵天线发展的主要趋势。本项目旨在以平面相控阵为研究对象，从物理机理到原理性实验，从可计算建模到可量化设计，从优化仿真到一体化综合方案等各个层面系统研究平面宽角扫描相控阵的基础理论与关键技术，包括：平面相控阵角度受限机理以及宽角拓展机理研究；宽角扫描实现新方案研究；谐振型宽带、宽角扫描平面相控阵研究；类行波紧耦合宽带、超宽角扫描相控阵研究；高效宽角匹配层技术研究；智能电磁优化仿真平台和综合设计方法研究，以及若干原理性验证实验。项目通过理论分析、电磁仿真、实验研究，为高性能的平面宽角扫描相控阵提供最佳的体系结构、可靠的理论依据、高效高精度的设计方法以及经过原理性试验验证的若干初始模型。

平面宽带、宽角扫描相控阵天线在军民用雷达系统中具有十分重要的应用价值，但其一直面临着工作带宽展宽、波束扫描空间范围拓展等难题。本项目正是针对这一挑战开展研究，试图建立平面宽带宽角扫描相控阵天线完备的理论与技术体系。五年来，项目组在深刻理解限制平面相控阵天线扫描角与带宽拓展物理机制的基础上，提出了系列扩展扫描角与带宽的新原理与新方法，为平面宽带宽角扫描相控阵天线研究提供了理论与思想指导；基于多模融合与重构等思想发展了多种谐振型小型化、宽带、宽波束平面天线单元，进而提出了系列谐振型平面宽带、宽角扫描相控阵天线新方案，形成了系列提升谐振型平面相控阵天线扫描角的新原理与技术；建立了基于等效电路、格林函数等原理的平面紧耦合相控阵天线理论模型与分析方法，提出了多种具有超低剖面的紧耦合相控阵天线实现原理与途径，突破了传统紧耦合相控阵天线在剖面压缩的同时实现带宽拓展的瓶颈；提出了具有相位补偿、极化独立调控、阻抗渐变等功能的多种宽角匹配层实现原理与方法，发展了相应的系列宽角阻抗匹配层加载的宽带、宽角扫描紧耦合相控阵天线，提出了将宽角阻抗匹配层直接融合到辐射口径的零厚度匹配层实现方案。提出了系列相控阵天线性能综合的高效分析与优化方法，为平面相控阵天线性能提升综合提供了有效手段。这些工作，构成了平面宽带宽角扫描相控阵天线理论、分析与设计方法以及实验验证的体系性成果，部分成果在军民用无线信息系统中得到了推广应用。项目共发表IEEE汇刊等期刊论文70篇，会议论文34篇，在国际国内会议上作邀请报告15人次。