A Review of Wideband Wide-Angle Scanning 2-D Phased Array and Its Applications in Satellite Communication

In this review,research progress on the wideband wide-angle scanning two-dimensional phased arrays is summarized.The importance of the wideband and the wide-angle scanning characteristics for satellite communication is discussed.Issues like grating lobe avoidance,active reflection coefficient suppression and gain fluctuation reduction are emphasized in this review.Besides,techniques to address these issues and methods to realize the wideband wide-angle scanning phased array are reviewed.

一种宽带±45°双线极化阵列天线设计

为了满足宽带大功率相控阵极化调整、灵活干扰的应用需求,需要对±45°双线极化的阵列天线开展研究。阵元主体由金属交叉偶极子构成,通过引入金属寄生层、宽角匹配层进一步拓展了工作带宽,改善了大角度扫描特性;采用同轴巴伦实现平衡馈电和阻抗变换,使用金属反射腔体调节组阵后相邻单元间的边界条件,从而优化了阵元间的互耦特性。实验与仿真结果表明,该阵列天线在0.96 GHz~2 GHz的工作频段内具有良好的辐射特性,可以实现二维±30°的波束扫描;并且,该阵列天线具有结构简单、易于安装、耐功率性能好的特点,适合于大功率宽带干扰相控阵系统的应用。

一种低驻波宽角波束超宽带双锥线阵列天线研制

设计和制作了一种实现宽角波束扫描的1×3超宽带双锥线极化阵列天线,可以应用于无人机上实现空地宽带通信。由于无人机平台安装尺寸受限,通过用椭球形阵子代替传统锥形阵子,并切割椭球振子外部轮廓使其安装在250 mm×130 mm×90 mm的空间内,实现了低剖面、小型化等特点。仿真结果表明,该阵列天线在0.8~2.4 GHz的频带范围内电压驻波比均小于2.5,在±45°波束扫描范围内的4个波束的最低增益均超过了2 dBi,满足实际的应用需求。

宽带宽角扫描罗特曼透镜设计与实现

提出了一种紧凑型微带型宽带宽角扫描的罗特曼透镜,其基于高介电常数基材和不等化端口结构设计。为验证设计的合理性,基于低频宽带需求,设计了一款罗特曼透镜,其规模为13×18。仿真和实测结果均表明,所设计的透镜能够覆盖宽频带0.8~2 GHz,相对带宽达86%,能够实现-45~45°宽角内扫描和全频带总插损优于6 dB;仿真与实测结果具有较高的吻合度。

K波段宽带宽角低副瓣圆极化稀疏阵

文中提出了一种适用于K波段的低剖面宽带宽角低副瓣圆极化稀疏相控阵天线,该天线单元的辐射部分由带有寄生环形辐射器的圆形贴片和L形贴片组成。为了与四通道T/R组件集成设计,设计了跨层连接微带传输线,并引入单元旋转技术大幅拓宽了天线的轴比带宽。此外,在考虑T/R组件引入的阵元布局制约下,设计了多约束子阵级优化布阵算法,仅通过子阵位置的优化,设计了400单元规模的宽带宽角低副瓣稀疏阵。仿真结果表明,该稀疏阵在44.6%的稀疏率下的法向增益为30.46 dB,波束宽度小于4.5°,扫描±55°内副瓣电平低于-13.13 dB,适用于K波段卫星通信相控阵天线。

一种电磁耦合馈电宽带宽角扫描微带天线阵列

文中提出一种可实现宽频带大角度波束扫描的低剖面相控阵微带贴片天线。为实现宽带特性,该阵列天线采用了缝隙电磁耦合馈电和双层贴片的设计。由于介质基板的堆叠,微带贴片阵列在高频大角度扫描时往往会受到表面波的影响,从而引发高次模谐振并带来扫描盲区。针对这一现象,通过对堆叠的介质基板开槽抑制表面波传播,从而改善高频的阻抗匹配特性。此外,还在贴片两侧加载寄生条带以优化低频阻抗匹配,拓展带宽并保持低剖面外形。该天线剖面高度仅4.6 mm,约为高频波长的0.19倍,可满足许多低剖面载体平台的应用需求。仿真结果显示,该天线在±45°扫描和±60°扫描时可分别实现57.9%(有源驻波比≤2.25)和44.4%(有源驻波比≤2.75)的相对带宽。基于该设计加工了一款8×8阵列样机。阵列样机的驻波及方向图测试结果与8×8阵列的全波仿真结果吻合良好,有效验证了该微带贴片天线阵列的宽带和宽角扫描特性。

Ku频段宽带相控阵天线技术研究

阵列天线易于实现高增益、波束扫描及波束赋形等功能,成为现代无线通信、导航、雷达等信息系统收发信号的主要手段。为满足高速率、广覆盖、多功能等发展需求,现代无线信息系统要求阵列天线具有宽工作带宽、宽角波束扫描能力及平面化、低剖面等特性。为此,文中以Ku频段、低剖面、宽频带相控阵天线为研究方向,基于微带天线宽带化技术、L型探针耦合馈电技术及加载等效腔体结构,开展微带天线的宽带化和相控阵天线的宽角扫描技术研究。文中提出了一种基于L型探针耦合馈电结构的具有宽带、宽角扫描能力的8×8阵列天线。实测结果表明,在VSWR<3时,在13.0~18.0 GHz阻抗带宽内(相对带宽为32.3%),该阵列天线在E面和H面均可实现±60°的扫描覆盖范围。实测结果和仿真结果具有较好的一致性。

介质集成超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线

为满足现代多功能雷达系统对带宽、剖面高度以及扫描性能的需求,提出了一种工作在2~6 GHz的超宽带相控阵天线.组成该天线阵列的单元由双极化的印刷偶极子贴片、不平衡馈电巴伦、基于超表面的宽角阻抗匹配层(wide-angleimpedancematchinglayer,WAIM)以及金属地板组成.偶极子末端带接地柱的圆形耦合贴片增加了单元间的耦合强度,提高了工作带宽;基于超表面的WAIM的引入在提升天线扫描能力的同时降低了天线的剖面;天线各个介质层中进行了周期性的打孔以抑制共模谐振和表面波.仿真结果表明,该天线单元在2~6 GHz的工作频带内,E面±60°和H面±60°扫描时能够实现有源驻波小于2.3,正交端口间的隔离度优于20dB.利用多层印刷电路板工艺,对天线实物进行了加工和测试,测试结果与仿真结果具有较好的一致性.该相控阵天线具有超宽带、低剖面、宽角扫描以及全介质集成的特点,为多功能雷达系统提供了一种新的天线结构.

基于超表面的超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线

为满足多功能电子系统对天线带宽、天线剖面和波束覆盖范围的需求,提出了一种工作在6~18 GHz的平面双极化低剖面宽角扫描相控阵天线.首先,为了抑制由非平衡短路式巴伦引入的天线带内寄生谐振模式从而拓展天线带宽,在天线阵列中加入了由短路金属柱和印制金属盘构成的脊型结构;然后,设计了基于超表面的宽角扫描阻抗匹配层,以降低波束扫描时的反射损耗;此外,在该天线的介质层中设计了周期性分布的空气孔,以降低天线辐射体周围的有效介电常数,进而消除波束扫描时的表面波激励.基于上述方法,利用多层印制电路板工艺,在保持天线低剖面特性的同时实现了超宽带宽角扫描性能.仿真结果表明,该阵列在典型方位角φ=90°和φ=0°分别具备±75°和±60°的波束扫描能力,且阵列剖面高度小于3.52mm.为了验证该设计的正确性,制作了一个阵列规模为8×8的双极化天线样机并对其进行实验,实验结果与仿真结果吻合较好.该天线具有超宽带、低剖面、宽角扫描特点,为多功能电子系统提供了一种新颖的天线阵结构.

一种变压器巴伦馈电的超短波紧耦合阵列天线

紧耦合阵列天线(Tightly Coupled Array,TCA)具有超宽带、低剖面、宽角扫描等特点,近年来受到国内外学者的广泛关注。然而,在甚高频(VHF)、特高频(UHF)频段TCA由于馈电网络设计困难等原因现有的研究报道很少。为了填补这一空白,本文设计并测试了一款变压器巴伦馈电的TCA,利用变压器巴伦解决了单元平衡馈电困难问题,同时采用短路枝节抑制E面共模谐振,采用频率选择表面(FSS)匹配层改善宽角扫描阻抗匹配。实测结果表明,该天线在110~520 MHz频带内、±40°扫描角范围内电压驻波比<2.5,和仿真结果吻合。

一种Ka频段宽带宽角扫描微带天线

针对低剖面微带天线带宽窄的问题,设计了一种高度仅为0.11λ0的双层贴片开槽微带天线,通过双贴片同时馈电的方式,展宽了微带天线的带宽,实现了驻波带宽达到17.9%。经过HFSS (High Frequency Structure Simulator,高频结构仿真器)设计仿真结果表明:该天线单元具有良好的阻抗匹配特性,驻波带宽在17.9%,增益为5.89 d B,符合宽带天线的标准。将该天线单元组成6×6阵列,通过仿真分析得出,天线在31.0 GHz~36.5 GHz频带范围内VSWR(电压驻波比)≤2,相对带宽达到16.4%,增益达到20.28 d B,-60°~60°扫描范围内具有良好辐射特性。该天线具有小型化、易于集成、制造简单等优点,可用于多种通信系统中,应用前景良好。

基于拉伸处理的宽带宽角接收波束形成新方法

提出了一种采用拉伸处理和相位补偿技术的宽带宽角接收波束形成新方法,给出了实现示意框图。与基本的时域和频域处理方法相比,新方法计算简单,所需设备量少,并能有效降低接收信号的带宽,易于工程实现。计算机仿真结果表明新方法是可行的。

超宽带宽角扫描双极化阵列天线的研制

本文针对项目需要,设计研制了一个超宽带宽角扫描双线极化阵列天线,天线单元采用印刷Vivaldi天线,工作带宽3:1,扫描范围±45°,阵列规模16×16×2。文章详细介绍了天线结构和仿真设计方法,经过优化,两个极化的天线单元在工作带宽内二维±45°扫描范围内有源驻波均小于3。对天线阵实物的有源驻波和波瓣图进行了测试,结果显示满足超宽带宽角扫描工作需求。

一种超宽带、大扫描角Vivaldi天线阵列

设计并加工测试了一款双面Vivaldi天线.通过结构优化,提高了馈电效率和阻抗带宽,并在组阵后显著降低了阵元间的互耦.实测结果表明该天线可以实现在2~8GHz的频带内回波损耗（Return Loss,RL）小于-10dB,平均增益大于5dBi.并采用＂交错排列＂的思路,将所设计的双面Vivaldi天线组成超宽带阵列.此种方式可以有效解决天线尺寸和最佳阵列间距之间的矛盾,进而抑制栅瓣,增大波束扫描角范围.仿真分析表明,在4~6GHz时,E面交错阵列比普通一维阵列的扫描角范围提高20°左右.

实现频率步进相控阵雷达宽带宽角扫描的一种方法

相控阵雷达天线在进行宽带宽角扫描时,天线波束会“色散”,使得到的距离像展宽,从而降低了系统分辨率。频率步进信号是常用的合成宽带信号,该信号在各脉冲周期内均是窄带的。因此,频率步进相控阵雷达可以通过脉间配相的方法,解决相控阵天线波束随频率“色散”的问题,使其能够在宽角扫描下合成宽带信号,获得高分辨的目标距离像。该方法具有设备变动小易于实现的优点。

数字相控阵雷达步进频合成宽带宽角扫描研究

数字相控阵雷达宽带宽角扫描存在波束指向偏差和孔径渡越问题,导致信噪比降低,脉压主瓣展宽,距离分辨率下降。频率步进信号在各脉冲周期内都是窄带信号,是常用的合成宽带信号,可以在获得距离高分辨率的同时降低对雷达瞬时带度的要求,从而降低了对雷达系统的要求。将步进频合成宽带技术应用到数字相控阵雷达,采用子脉冲移频移相方法可以消除波束指向偏差和孔径渡越影响,实现数字相控阵雷达宽带宽角扫描。并通过仿真计算,给出一些对工程实现有用的结论。

毫米波宽带低旁瓣一维扫描相控阵天线分析设计

为实现毫米波一维扫描相控阵宽带低旁瓣设计,在分析全波矩量法的基础上设计了带宽大于10%、增益19dBi串馈阵列天线.以串馈阵列天线为辐射单元,设计了8通道一维扫描相控阵天线,利用数字波束形成技术对8通道输出的基带信号进行处理,得到以4°为扫描步进值18波束辐射方向图,其增益为26 dBi、旁瓣电平-30 dB、带宽大于10%.天线结构简单、成本低、波束控制灵活,有利于一维扫描相控阵天线宽带、低旁瓣、小型化、轻量化的发展.

线性调频-Costas频率步进信号分析及宽带合成处理

针对宽带宽角扫描相控阵雷达系统高精度测距、测速应用需求,提出了脉间Costas编码跳频、脉内线性调频调制的信号形式。通过对信号建模及距离-多普勒二维模糊度函数的分析表明,该信号形式综合了线性调频信号和Costas编码的优点,具有接近理想图钉型的模糊函数,可实现距离-速度的二维高分辨率。推导了线性调频-Costas频率步进信号宽带合成的处理方法,并通过仿真验证了该算法的有效性。

针对线性调频信号的宽带宽角相控阵发射波束形成方法

以线性调频信号为例,揭示窄带相控阵在大孔径宽扫描角情况下不能有效发射宽带高分辨信号的实质。针对线性调频信号,提出2种宽带宽角相控阵发射波束形成新方法,给出了实现示意框图。新方法采用时域数字处理,与时域采用抽头延迟线的FIR滤波器波束形成方法和频域DFT波束形成方法相比,文中方法简单、所需设备量少、易于工程实现。

宽带宽角扫描双极化阵列天线设计

设计了一种宽带宽角扫描双极化vivaldi阵列天线。通过微带线向槽线耦合馈电,设计了工作于1～6 GHz的vivaldi双极化天线阵,并对加工的实物进行了测试。阵中单元驻波小于1.5,天线阵两维扫描角度达到±60°。试验结果表明,该天线在电子对抗、宽带通信等领域具有很大的应用价值。