摘要
相控阵天线能够实现快速波束扫描、自适应波束形成及抗干扰、高精度搜索及跟踪等先进功能，广泛应用于军民领域的各个场景。未来的电子平台的发展方向趋于电子侦察、电子干扰、雷达探测、无线通信等多功能一体化。另一方面，面对日益复杂严峻的战场环境，电子平台的隐身技术已成为当前军事领域发展的重要方向，对搭载的天线数量及天线的雷达散射截面（RadarCrossSection，RCS）提出了更严苛的要求。因此，未来的相控阵天线应同时具备宽带工作、宽角扫描、低RCS等特性。本文围绕宽带宽角度低RCS相控阵天线进行了深入研究，全文主要工作概括如下： 针对平面化相控阵天线带宽窄、扫描角度有限的问题，提出了两种平面化宽带宽角度相控阵天线设计。提出了寄生贴片加载的探针馈电偶极子相控阵天线，克服了平面偶极子天线输入阻抗较高难以匹配的问题，并设计了紧凑的探针馈电结构。在有源电压驻波比（activevoltagestandingwaveratio，activeVSWR）低于2的条件下，无限大阵列实现了45.2%的相对带宽，以及E面±60°、D面±60°、H面±50°二维波束扫描，该阵列的剖面高度为0.145λhigh。为了进一步实现更宽带宽、更大扫描范围的平面化相控阵天线，提出了基片集成的宽带宽角度缝隙相控阵天线，建立了准确的等效电路模型，用于分析天线的宽带工作机理并指导后续设计；在宽角匹配层与辐射结构间引入空气间隙，不仅改善了天线的阻抗匹配性能，也抑制了工作频带内表面波的传播。该相控阵天线的能够在65.2%的相对带宽内，在activeVSWR低于2的条件下，实现±60°的二维扫描的性能。这两种相控阵天线都具有带宽宽、扫描角度大、成本低、剖面低的特点。 针对传统散射对消结构带宽窄、斜入射性能恶化严重，并且难以适用于低RCS相控阵天线的问题，提出了一种基于人工介质层（ArtificialDielectricLayers，ADLs）的宽带宽角度散射结构设计，重点研究ADLs反射单元的反射相位性能以及基于该反射单元的散射表面的RCS缩减性能，为后续的相控阵天线RCS缩减研究提供支撑。首先，基于ADLs加载技术拓宽了传统介质反射单元180°反射相位差的带宽，所设计的ADLs反射单元在4.8~17.5GHz频带范围内实现了180°±37°反射相位差；分析ADLs反射单元在不同入射角下的反射相位性能，并提出了保持两个ADLs反射单元在不同入射角下反相特性基本稳定的设计方案。进一步地，设计并加工了一个宽带宽角度散射表面，该散射表面在垂直入射时可以在相对带宽为112.7%的频带内实现双站RCS缩减10dB以上，并且在TE波40°和TM波55°入射时，10-dB双站RCS的缩减带宽分别为110.9%和101.8%，表现出良好的斜入射性能。 针对目前相控阵天线与RCS缩减结构集成方式单一、集成效果较差的问题，提出了一种基于ADLs的宽带宽角度低RCS相控阵天线设计。对本文提出的散射结构和宽带宽角度缝隙相控阵天线进行了有机地融合，通过加载ADLs有机地将RCS缩减功能融合进宽角匹配层，与传统宽角匹配层相比并没有增加剖面高度、插入损耗以及加工难度等；利用相控阵天线的子阵技术，消除了相控阵天线工作频带和RCS缩减频带之间的间隙。所提出的无限大阵列单元在2.5~4GHz频率范围内在E面可以扫描到±60°，在H面可以扫描到±40°；设计的有限大阵列实现了宽带宽角度特性，并且在4~26GHz频率范围内实现了超宽带单站RCS缩减。 针对当前低RCS紧耦合相控阵天线设计中存在的RCS缩减效果不佳、RCS缩减结构带来天线性能恶化的问题，提出了一种极化选择超表面加载的低RCS紧耦合相控阵天线设计。首先，设计了用于紧耦合相控阵天线RCS缩减的极化选择超表面结构，该结构在3.74~15GHz频率范围内实现了超宽带的180°反射相位差；接着，给出极化选择超表面结构与紧耦合天线结构一体化设计的方案，在不影响天线辐射性能、不增加剖面高度的情况下实现了紧耦合相控阵天线的RCS缩减，同时避免了天线结构对散射对消效果的影响。所设计的无限大阵列在6.5~12GHz频率范围内，可以在所有方位面扫描到±60°，加工的有限大阵列实现了宽带宽角度特性，并且在3.9~15.1GHz频率范围内实现了超宽带单站RCS缩减。
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