1、基于互耦的超宽带相控阵研究现状

由经典天线理论可知，天线阵实现阵列扫描时对阵元间距有一定的要求[1]，阵元距离不能大于工作波长的一半，这使得单元大小不能够高于high/2；同时当阵列覆盖带宽很宽时，我们无法保证阵列方向图不会产生畸变，这是天线小型化设计过程中的又一个困难所在[2-3]；阵元间距的缩小所带来的强烈的耦合会改变阵列的辐射情况，严重时会导致阵列无法正常工作，在这方面相关学者也陆续进行了如何减轻阵列耦合技术的研究，企图通过减轻阵元耦合来改善天线辐射性能的恶化。因此，在现阶段，天线之间的互耦效应是一个亟待解决重大难题[4-6]。另一方面，一些天线工程师反其道而行，不是设法解决耦合问题，而是利用阵元互耦，使得原本性能较差的天线单元在阵列环境中工作时能够实现宽带性能，为超宽带天线的设计开拓了一个全新的思路。

依靠阵元之间的互耦效应来设计宽带阵列的设计思想可以追溯到1965年，那时Wheeler提出了无限大连续电流片模型[7]。但是这种模型只停留在理论上，实际中并不存在，人们也一直在试图寻找能够替代该模型的天线结构。Munk对偶极子阵列天线进行了深入研究，他尝试将偶极子的尾部交互放置，这时他发现偶极子之间的耦合非常的强烈，令人欣喜的是，如此排列的偶极子阵列竟然拥有很大的带宽，能够实现超宽带工作[8,9]。Munk教授对于这种现象给出了相应的解释，偶极子末端重叠会耦合出一定的电容分量，而这个电容分量恰好与天线和地板的电感效应相抵消。在2003年，Munk等以以上发现为基础设计了一款新型的天线阵列结构，并且该天线阵列拥有超宽带的特性[10]。实际测试表明该阵列天线拥有4倍频程，此外，该天线阵列扫描性能良好，剖面低，易于与其他物体表面共形，如图1.1所示。

之后Hansen对Munk教授所设计的偶极子阵列进行了详细的分析。最终发现，在阵轴线方向上，每相距，阵列的表面电流就会出现谐振现象，如果单个偶极子的尺寸相对于工作波长来说可以忽略不计，那么电流的变化也将是非常微小的。这与无限电流片模型所描述的现象如出一辙，换句话说，人们终于在实际中找到了代替电流片模型的结构，从而开拓出了一条崭新的宽带天线设计道路[11-13]。

在2007年，Schaubert等人在研究Vivaldi天线的时候发现，即使单元性能很差的天线，当它处于相控阵列之中时，却能够工作在很宽的频带内[14]。根据上述发现，他们研制了一款宽带阵列天线。图1.2是是其阵列模型，阵列带宽为2-18GHz，可以实现45波束扫描。之后他们对此也进行了更加详细的探讨，发现这与Wheeler提出的电流片模型的原理结果一致，这是在Munk之后对于强耦合天线设计的又一有力的实际论证。

传统Vivaldi阵列天线通常剖面较高（4high），从而限制了设备的小型化。为了改善Vivaldi的这一缺憾，2011年，Elsallal等设计了一款平衡对跖Vivaldi天线（BAVA）[15]，此天线VSWR<3的频程达到了10:1，天线单元之间的距离和高度只有high/2，天线的尺寸得到

了大大的减小，同时，每个单元直接通过50的带状线馈电，没有必要进行阻抗变换和匹配，扫描范围为45。其实物加工图如图1.3所示。

国内的一些高等院校和科研院所也相继开始了对基于互耦的宽带阵列天线的研究。2011年，于大群等人设计了一款强耦合宽带宽角双极化Vivaldi相控阵天线单元[16,17]。图1.4是实物测试结构图，根据实验测量结果，该双极化天线带宽达到8:1。