随着现代无线技术的快速发展，相控阵天线凭其波束扫描速度快、方向图赋形灵活、抗干扰能力强、跟踪精度高等优势，被广泛应用于机载、舰载雷达系统中[1-2]. 现代先进军事作战平台集侦察、干扰、探测、通信等多功能于一体，搭载多副针对不同频段应用的相控阵天线，不仅会增加平台体积、降低平台隐身性能，而且会增加系统内部不同功能模块间的相互干扰. 与此同时，作战平台要求相控阵天线的波束可以指向特定的空间角度，且波束增益不会产生严重的下降. 因此，覆盖多个工作频段的宽角扫描相控阵天线成为现代多功能军事作战平台的优选天线形式，可有效提高系统的一体化集成能力，并降低系统的体积、成本、功耗等. 另外，双极化技术可以使天线生成多极化电磁波辐射模式，且经过适当激励调控后，同时具备两个正交线极化辐射模式的天线口径可以生成任意极化模式，这对系统干扰与抗干扰能力的提升有重要意义. 部分军事作战平台(如战机等)对平台外形结构及空气动力学性能提出严苛要求，这使得相控阵天线需具备低剖面特性，以满足平台装配与集成需求. 综上所述，为了满足现代雷达系统高系统容量、高探测精度、大探测范围、干扰与抗干扰和外形结构等性能需求，相控阵天线需要具备双极化辐射模式和更大的工作带宽、更低的剖面高度、更广的波束覆盖范围[3].
近年来，国内外针对超宽带相控阵天线展开了深入研究，并将主流的超宽带相控阵天线分为两类：基于Vivaldi类单元[4-10]和基于紧耦合偶极子单元[11-22]的超宽带相控阵天线. 其中，Vivaldi天线阵又被称为渐变开槽阵列(tapered slot array，TSA)，是一种基于延长天线单元纵向尺寸以实现带宽拓展的宽带天线阵列形式. TSA天线可以在保持高辐射效率的条件下实现超过10∶1的阻抗带宽比[4]. 然而，过高的纵向剖面意味着TSA天线辐射体上会寄生交叉极化电流场，这导致TSA天线存在严重的交叉极化能量泄漏. 在大角度波束扫描时，TSA天线的交叉极化增益甚至会大于主极化增益，造成极化偏转现象[6]. 这种极化泄漏对雷达探测、干扰与抗干扰等应用是非常不利的. 与TSA不同的是，紧耦合偶极子阵列(tightly coupled dipole array，TCDA)是一种基于延长天线单元横向尺寸以实现带宽拓展的宽带天线阵列形式[11-18]. 因此，在相同的可实现带宽条件下，TCDA天线的剖面高度远小于TSA天线. 以实现2~18 GHz带宽为例，文献[4]中的TSA天线纵向剖面高度为104 mm(0.69λlow)，而文献[19]中的TCDA天线纵向剖面高度仅为10 mm(0.10λlow)，其中λlow指最低工作频率时的自由空间电磁波波长. 因此，TCDA更适合作为一种实现超宽带低剖面天线阵的方案.
同时，易集成、可扩展、小型化的相控阵天线模块是现代多功能雷达系统的迫切需求. 这要求相控阵天线能实现瓦片式架构，即利用低剖面天线、多功能多通道收发(T/R)芯片等，结合多层加工工艺和三维封装技术，实现相控阵天线的低剖面小型化和轻量化. 然而，立体装配形式的TCDA天线在结构稳定性、“天线-芯片-电路”低剖面小型化集成性等方面都存在劣势. 作为一种合适的解决方案，基于多层印制电路板(printed circuit board，PCB)工艺的平面超宽带模块化天线(planar ultra-wideband modular antenna，PUMA)阵列被提出[23-29]. PUMA阵列的工作原理与TCDA天线相同，都是利用偶极子天线单元间的电容耦合等效延长了天线单元在低频时的有效辐射电尺寸，并以此拓展工作带宽. 为了进一步提高PUMA阵列的波束扫描能力，文献[24]将多层介质板加载于PUMA阵列上方，提高了天线阵在不同扫描角度下的有源阻抗匹配能力. 然而，多层介质板增加了天线的剖面高度，同时也增加了天线阵列的重量，这显然不利于系统的低剖面小型化和轻量化实现. 随着超材料技术的发展，由周期结构组成的超表面逐渐被用作宽角匹配层[30-35]. 此时天线结构复杂度提升，联合多设计参量实现平面相控阵天线的宽带工作、宽角覆盖能力与低剖面外形是一个技术难题，也对现代多功能雷达的低剖面小型化与轻量化工程实现具备重要意义.
针对该技术难题，本文提出了一种基于超表面的平面超宽带双极化低剖面宽角扫描相控阵天线. 该天线以双极化紧耦合偶极子作为天线单元，由多层PCB工艺一体化加工制成. 基于此单元，首先利用由短路金属柱和圆形金属盘构成的脊型谐振模式抑制结构，移除了由非平衡短路式巴伦馈线引入的天线带内共模谐振与环路谐振，实现了天线阵列的6~18 GHz阻抗带宽. 接着，为了进一步降低该天线的反射损耗、提高天线宽角扫描能力，以方形金属贴片构成的超表面替代传统的厚介质板，将超表面用作天线阵列的宽角有源阻抗匹配层. 最后，通过在天线阵内设计周期分布的空气孔，抑制了天线大角度波束扫描时的表面波激励. 通过上述方法，该超宽带双极化相控阵天线在实现6~18 GHz工作带宽的同时，具备阵列波束±75°(φ=90°)、±60°(φ=0°)的大空域覆盖能力. 同时，该天线的剖面高度仅约为3.52 mm(0.07λlow). 因此，本文提出的平面超宽带双极化低剖面宽角扫描相控阵天线可以为现代多功能雷达系统的低剖面小型化和轻量化实现提供技术支撑.
基于超表面的超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线.pdf
