低频小型化宽带相控阵与圆环端射阵分析与综合.doc

分类号密级

UDC注1
学位论文
低频小型化宽带相控阵与
圆环端射阵分析与综合
（题名和副题名）

何若愚
（作者姓名）

指导教师姓名杨仕文教授博导
电子科技大学成都
（职务、职称、学位、单位名称及地址）

申请学位级别硕士专业名称电磁场与微波技术
论文提交日期2013. 4论文答辩日期2013. 5
学位授予单位和日期电子科技大学
答辩委员会主席
评阅人

年月日

注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名：日期：年月日

关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：导师签名：
日期：年月

摘要
摘 要
现代军事电子设备如雷达、通讯等装置常常需要相控阵天线。相控阵天线种类繁多，包括侧射与端射等形式，但大都结构复杂，造价高昂。尤其在频率较低端，宽频带、小型化的相控阵天线使设计难度进一步增加。本论文针对P-L波段宽频带小型化相控阵天线与P波段圆环端射阵天线开展了相关研究工作。论文的主要工作包括以下几个部分：
首先，本文回顾了相控阵天线的发展历程，介绍了现代雷达对分辨率的高要求对天线的工作频带提出了尽量宽的要求。同时回顾了国内外超宽带相控阵天线领域的研究手段和研究成果，随后介绍了圆环端射相控阵天线的工作原理与国内外研究成果。
第二，介绍了阵列天线辐射原理和相控阵天线的工作原理。论述了基于强互耦效应宽带阵列天线理论，给出了空间电磁辐射结构的等效传输线模型。运用阻抗图法分析了基于强互耦效应宽带阵列的带宽扩展原理，分析了影响阵列带宽的几个关键因数。
第三，在Ansoft HFSS中建立了两种天线模型，一种是传统的平面WAIM层单元结构，第二种是曲面WAIM层单元结构，并进行了仔细的仿真和调试。在调试过程中降低了宽角阻抗匹配层的高度和介质的介电常数，给出了大型阵列天线的仿真结果。
第四，介绍了圆环端射阵天线的辐射原理。设计了倒锥单极子天线单元，利用单元排成圆环组成端射圆环阵，又利用多层圆环按照同心圆排列构成圆盘端射相控阵天线以实现较高的增益。
最后，在Ansoft HFSS中建立圆盘端射阵天线模型，仿真并调试，给出了直径3米的圆环端射天线阵的仿真结果。

关键词：超宽带，宽角扫描，低剖面，端射阵，圆环阵
69
参考文献
ABSTRACT
Modern military electronic equipments such as radars, communication devices are usually equipped with phased array antennas. Phased array antennas have various forms, including broadside phased arrays and end-fire phased arrays. Most of them are complex, and very expensive.The wideband property and miniaturized profile increase the difficulty of designing further, especially when the phased array operates at lower frequencies. This thesis focuses on the P-to-Lband wideband phased array antenna and the P-band end-fire ring phased array antenna. The main work of the thesis includes the following sections:
First of all, thethesis reviews the development process of the phased array antennas.Modern radar demands high resolution, and the antennasused by radars often have to operateon a frequency band as wide as possible.
Secondly, the array antenna radiation theory and the principle of the phased array antenna are presented. The theory of the broadband antenna arrays based on enhance mutual coupling is given.The equivalent transmission line model of the antennaelement is also presented in this thesis.
Thirdly, two antenna modelsare established in Ansoft HFSS.One is the traditional cell structure with plane WAIM layers, and the second is the proposed element structure with bent WAIM layers. The one with bent WAIM layers had shown strong potential for the phased arrays having wider frequency band and larger scan angle.
Fourthly, radiation theory of the ring end-fire array antenna is introduced. The cone monopole antenna is designed as the element of the entire array.Several elements are arranged to form a ring andfour concentric rings constitute an array with the diameter of 3 meters in order to achieve high gain.
Finally, the model of the disc end-fire array antenna is built in Ansoft HFSS and isoptimized.The simulated results of the disc end-fire array antenna with the diameter of 3 meters is shown.
Keywords:Ultra-wideband, wide angle impedance matching, low profile, end-firearrays, ringarrays
目录
目 录
第一章引言 1
1.1 超宽带相控阵天线的研究意义 2
1.2 超宽带相控阵天线的发展历程和国内外研究现状 3
1.3 端射相控阵天线的研究意义 7
1.4 端射相控阵天线的国内外研究现状 8
1.5 本论文的主要内容及结构安排 11
第二章超宽带相控阵天线的基本原理与天线单元模型 12
2.1 传统宽带相控阵天线的工作原理 12
2.1.1 无限大阵列环境中任意单元的方向图 12
2.1.2 一维相控阵天线线阵辐射原理 14
2.1.3 二维平面相控阵辐射原理 15
2.2 基于强互耦效应的超宽带相控阵天线基本理论 16
2.2.1 空间辐射结构的等效传输线模型 16
2.2.2 中心频点处的阻抗匹配 19
2.2.3 低频时天线阻抗的匹配 21
2.3 低频小型化宽带相控阵单元设计方案 23
2.3.1 具有平面WAIM层的超宽带相控阵天线单元结构 24
2.3.2 具有曲面WAIM层的超宽带相控阵天线单元结构 28
2.4 本章小结 30
第三章基于强互耦效应的超宽带相控阵天线的仿真与设计 31
3.1 无限大阵列环境中具有平面WAIM层的天线单元仿真 31
3.2 具有平面WAIM层的阵列天线增益方向图 34
3.2.1 不扫描时阵列增益方向图 35
3.2.2 扫描时阵列增益方向图 36
3.3 具有曲面WAIM层的相控阵天线单元仿真 38
3.3.1 无限大阵列环境中具有曲面WAIM层的天线单元仿真 39
3.3.2 具有曲面WAIM层的阵列天线增益方向图 42
3.4 本章小结 45
第四章端射相控阵天线的基本原理 46
4.1 传统圆环相控阵天线的基本原理 46
4.2 圆盘端射相控阵的实现结构 49
4.2.1 端射阵单元形式 49
4.2.2 单圈圆环阵列 50
4.2.3 多层圆环叠加而成的实际端射阵 52
4.3 本章小结 52
第五章低频圆环端射相控阵天线的仿真与数值结果 53
5.1 阵列单元的仿真与设计 53
5.2 带有地板的圆环端射阵列天线仿真与设计 55
5.3 本章小结 60
第六章结束语 61
致谢 62
参考文献 63
研究生期间的研究成果 66

第一章引言
第一章引言
相控阵天线在其诞生之日起到现在大约有80年了。相控阵天线具有快速的波束赋型能力和快速扫描能力，在现在雷达和通讯设备中获得了广泛的应用。相控阵天线主要被用于弹道导弹预警，对空对海搜索等任务中[1]。
经过很多年的发展，相控阵天线技术获得了突飞猛进的发展。特别是信号处理领域的合成孔径雷达要求具有很高的分辨率。即我们已经不满足于目标在雷达上是一个点或是一个斑，我们要看清目标具体是什么，从而采取相应的应对策略。而高的分辨率对宽带提出更高的要求，它要求雷达天线的带宽尽可能地宽。常要求天线的带宽达到4:1或5:1。同时还要求天线的扫描角尽可能广，最好达到面阵120度，圆环阵360度全向扫描的能力。这对超宽带相控阵天线的设计师带来很大挑战[2]。
传统的超宽带相控阵天线的设计是先设计出具有超宽带特性的天线单元，再把这些单元组阵[3]。由于单元间存在强烈的互耦效应，整个阵列的性能要比单个单元下降很多。在这基础上，我们通过降低单元间互耦来改善天线性能。降低单元间互耦的方法有增大单元间距，但是为防止宽带天线在高频处出现栅瓣，单元间距不能超过一个最大值。其他方法如在单元周围加槽线或是加隔离的方法会使天线的增益下降，破坏方向图，使波束指向不准确。而相控阵天线就是靠高增益来搜索侦查目标的。
所以，亟需一种新的超宽带相控阵天线的设计理念，摆脱传统设计方法的桎梏。美国俄亥俄州立大学的Munk教授研究小组提出了一种新的设计宽带天线的理念，可以很好地应用在相控阵天线的设计中[4]，本文的工作即是基于这种理念的。
此外，为了满足在特殊安装条件下对相控阵天线的设计要求，本文研究了360度扫描的端射相控阵天线。这种天线呈圆盘状，能全方位扫描，且增益较高。该端射天线还具有低剖面，重量轻等特点。
端射相控阵天线应用于军事领域较多，国内外公开发表的文献少有论述。但该型天线能应用在特殊载体上，且增益不与阵列尺寸呈简单正比关系，较容易实现小型化。但该型天线在实际中还存在许多亟待解决的问题，所以有必要对其作进一步研究。
1.1 超宽带相控阵天线的研究意义
在雷达探测领域，相控阵天线有着其它类型天线无法比拟的优势。利用电子移相器，改变阵中各个单元的激励幅度和相位，可以改变波束形状，形成指向特定位置的波束，进而可以实现扫描[5]。整个天线由若干个天线单元构成，每一个阵元带有自己的移相器（调相）和衰减器（调幅），在计算机的控制下，天线口径的照射函数能高速地变化，因为全部由电子控制，不需要机械转动台的帮助，天线波束在空间的扫描是无惯性的。相控阵天线有扫描速度快，波束赋形简洁方便，能同时在指定空域中跟踪、通信，且稳定性高等优点。
过去，雷达显示屏上对探测到的目标的显示只是一个脉冲，并不能分辨出目标具体是什么东西[1]。这些特性已经远远不能满足现代战争对雷达的要求，现代雷达要求具有高分辨率，人们希望能够从屏幕上看到目标的图像。举例来说，雷达的距离分辨率ΔR与雷达信号带宽B成反比，即：
∆R=C/2B (1-1)
式中c为光速。所以，随着战争对雷达分辨率，包括距离分辨率和角度分辨率的进一步要求，还有对低RCS目标，即隐身目标探测的需要，传统窄带雷达已经无法满足需要，发展宽带雷达迫在眉睫。
尽管相控阵雷达比传统雷达造价昂贵的多，TR组件，电子移相器相当昂贵。世界各国还是积极投入巨大的财力人力物力发展相控阵雷达。原因是相控阵雷达比传统雷达具有不可比拟的巨大优势。
相控阵雷达顾名思义就是波束方向可控的雷达，因为其波束可控，在没发现目标之前可以在一定空间范围内（尽可能大的区域）进行扫描以搜索可能来犯的目标，在发现来犯目标之后，可以时时对目标进行跟踪；相控阵天线一副天线可以划分出子阵，这些子阵可以自成一部雷达引导我方导弹迎击来袭目标；还可以对多个目标进行跟踪[6]。这些特性在战略弹道核弹防御方面非常重要，可以说提前发现目标是反战略弹道核弹的核心，其实相控阵雷达最早就是为满足美国反战略弹道导弹的需要而发展起来的。其他天线如机械扫描雷达在波束控制方面比相控阵雷达差很多，所以世界各国都不遗余力发展相控阵雷达[7]。
可以说，宽带相控阵雷达具有宽带雷达和相控阵雷达的优势，如高分辨率，包括距离和角度分辨率、对隐身目标的探测能力、还有灵活的波束控制、对多个目标的跟综能力；是未来雷达的发展方向[9]。但宽带相控阵雷达不同于传统窄带相控阵雷达，有些窄带雷达理论根本不适用于宽带相控阵雷达，很多问题必须重新解决[8]。
所幸的是，随着电子技术的高速发展，T/R组件和电子移相器的价格已经得到很大程度的降低。宽带阵列天线和宽带T/R发射技术和宽带电子移相器都对宽带相控阵雷达的发展起了很大的推动作用[10]。相信在未来战争中将是宽带相控阵雷达充当眼睛的海陆空天立体作战模式。下面本文具体谈谈宽带相控阵雷达天线技术的发展历程。
1.2超宽带相控阵天线的发展历程和国内外研究现状
现代雷达系统对相控阵雷达提出了超宽带的要求，传统窄带相控阵雷达已经不能满足军事领域对高分辨率的应用，超宽带相控阵雷达应运而生，相应地，这些耗资巨大的雷达需要有一付超宽带的天线将宽带信号发射出去，而且要求天线频带尽量宽，以减少天线数量[11]，最好实现一部天线能在多个频段工作，而且还可以充当通信天线来使用。正因为如此，超宽带天线在现代相控阵雷达中成为越来越重要的技术瓶颈[12]。
超宽带相控阵天线在今年来是国际上的研究热点。发达国家如美国，英国，法国，德国和日本的科学家都在积极探索超宽带相控阵尤其是宽角扫描相控阵技术。提出了很多新方法和新的研究思路。在本章里，本文还将通过介绍国内，国外几个著名超宽带天线研究小组的研究成果，探讨超宽带相控阵天线的发展趋势以及发展方向。其中注重介绍美国俄亥俄州立大学电磁组的Ben. Munk教授课题组的理论和研究成果[13]。
雷达理论在很早的时候就已经订立了。1925年，美国Washington Carnegie学院的Briet与Tuve发现了测距原理，奠定了雷达的理论基础。但雷达大发展还是20世纪中后期的事。20世纪60年代末，为了完成对洲际弹道导弹的预警任务，相控阵雷达应运而生。显示出极其优越的性能，随后各国加速发展相控阵雷达，使传统窄带相控阵雷达技术基本成熟。随着现代飞行器的RCS越来越小，对高分辨率的要求越来越高，各国都纷纷重视宽带相控阵雷达。
随着弹道导弹技术的飞速发展，各国都在加紧研制宽带宽角扫描相控阵天线技术。其中美国军方目前正在使用的相控阵雷达有AN/FPS-85空间监视雷达。该雷达据说波束宽度非常小，具有很高的增益，可以跟踪38,000公里处的地球同步轨道卫星。美国SBX海基宽带相控阵雷达，该雷达可以全球部署，用于监视各国空间武器的各种参数，朝鲜两次射星，美国都把该雷达部署在能监视到朝鲜上空的夏威夷以东地区。
相控阵雷达具有极其巨大的优势，但是传统的超宽带相控阵天线的设计方法却有很大的局限性，传统设计方法指出，要获得阵列天线的超宽带性能，本文必须选取具有超宽带性能的阵列单元，设计好单元后将其加入阵列环境中，通过减小互耦效应，或互耦补偿等方法尽量减小单元方向图的恶化。这种方法在相控阵天线单元的设计中面临极大挑战：其一，随着扫描角度的增大，单元之间具有很强的互耦特性，互耦补偿已经很难全面补偿天线单元由于大扫描角度带来的阻抗失配效应；其二，这种方法设计出的相控在天线十分笨重，很难与运载工具共形使用。
传统设计方法的弊病促使新设计方法的诞生，俄亥俄州立大学电磁学研究组的Ben A. Munk教授在频率选择表面和宽带阻抗匹配方面进行了较多研究。通过对频率选择表面的研究发现，紧密排列的线形单元之间存在LC震荡电路的特性，而这种特性是频率选择表面具有超宽带性能的主要原因之一。于是他们课题组希望将这种结构用于宽带天线的设计中。他们的超宽带天线并不直接设计超宽带单元，而是直接设计超宽带的阵面，例如交指偶极子阵面和长槽阵面，然后通过阵面前放置宽角扫描阻抗匹配层的方法拓展带宽，所用理论为宽带阻抗匹配原理。这种理论在学术界掀起一股研究热潮。
从研究频率选择表面Frequency Selective Surface开始，发现连续首尾相接排列的偶极子阵列具有串联LC电路的特性，这种特性可以拓展频率选择表面的工作频带[13]；这个发现同样被运用到天线阵列设计领域，但天线是有地板的窄带结构，与无地板的频率选择表面结构还是有区别，于是他们利用在天线阵面之前加宽角阻抗匹配层的方式，进一步拓展了阵列天线的工作频带[14]。
他们与Harris公司合作研发了一款命名为电流板天线阵列Current Sheet Array, (CSA)的相控阵[14]，如图1-1所示。该天线工作频带为VHF~UHF，扫描角度可达±45度。由于Munk小组在超宽带相控阵天线方面的研究时间很长，技术已经得到工程应用的证实，故本文所研制的超宽带相控阵天线主要基于Munk教授的理论。
Robert Charles Taylor, B. Munk, 和Timothy Earl Durham在B. Munk研究的基础上，在美国军方项目支持下，在Harris公司研究开发出一款工作频段大约是2GHz~18GHz,扫描角度大约为±50º的相控阵列天线[15]。所用单元也是终端加载了交指的平板印刷偶极子，如图1-2所示。

图1-1 美国俄亥俄州立大学与Harris公司的Current Sheet Array (CSA)[14]

图1-2 Harris公司的超宽带相控阵天线[15]
J. J. Lee教授用宽带阻抗匹配方法，设计了带宽为150 - 600MHz的宽带长槽天线[16]，如图1-3所示。该天线利用很巧妙的方法为长槽阵面馈电，可以轻松实现交叉极化和圆极化。空间扫描角为±60º。

图1-3超宽带长槽阵列天线[16]
这些阵列天线都采用新型阵列天线设计方法，即直接设计天线阵面，而不是设计阵列单元，即：将天线阵面看做一个整体，然后采用宽带阻抗匹配的方法扩展工作带宽。这种设计方法基于H. A. Wheeler提出的无限长电流板相控阵天线，H. A. Wheeler在1965初步提出这种理想的相控在天线原形，并推导出一些其基本的数量关系[17]。这种思想说明了一个在传统宽带天线设计思路中被忽略的问题，即，正如B. Munk教授所指出的：由不具有宽带工作特性的阵列单元，如偶极子是窄带的，能组成具有宽带特征的阵列[4][14]。这个理论在Munk和其他教授的研究中得到证实。
国内超宽带宽角扫描相控阵天线的研究进展前景非常好，国内高校如电子科技大学、西安电子科技大学、东南大学等高校都在超宽带宽角扫描相控阵雷达天线方面有很深入的研究。国内电子科技集团南京14所在这方面也有很深入的研究，他们很多产品销往世界其他国家和地区。但在基于加强天线单元间互耦的强互耦超宽带相控阵列天线的研究国内还鲜有报道，目前所知就是电子科技大学的杨仕文教授新型阵列天线研究小组有此方面的研究成果[18]。

1.3端射相控阵天线的研究意义
现代军事雷达要求天线具有高增益，0~360度全向扫描特性等电性能外，还要求天线具有低剖面，易于和载体共形，不破坏运载工具外部空气动力性能等特点。而传统的相控阵面阵无法满足这种需求。相控阵面阵具有面积大，气动性能极差，维护十分麻烦的特点。所以传统相控阵天线都装在大型运载工具上。针对这种需求，端射天线阵具有绝好的先天优势。端射阵列的增益和阵列面积没有直接的正比关系，所以要达到高增益可以采用较小的阵列尺寸[10]。端射阵的阵列单元与波束往往在同一平面内，这样在某些复杂设备对空间有苛刻要求的运载工具上优势十分显著。
端射天线，例如著名的八木天线，具有高增益，指向性特别好的优点[2]。这个特性使其具有很强的抗干扰能力。八木天线广泛地应用在电视接收，雷达等现代电子设备上。
端射阵列天线，顾名思义就是其主瓣方向不是与阵面垂直，而是与阵面在同一平面内的天线阵列。最初的端射天线阵就是由端射的八木天线简单排列而成的阵列天线，具有高增益和很强的抗干扰能力。例如美国E-2C鹰眼预警机所采用的就是八木天线阵。
此外，端射阵列天线往往具有良好的空间特性，可以与载体很好地共形[11]。例如很多端射相控阵天线具有空气动力性能优良，与运载工具相匹配的优点。因为传统侧射阵列天线为了获得高的增益，往往具有很宽的阵列平面，例如侧射阵列天线。而端射阵的增益没有直接与孔径尺寸成正比，这使得端射阵列能在达到很高增益的情况下仍然保持较小的尺寸，这种优势使其产生了很强的军事领域的应用需求。相比于进行了很多研究的宽带侧射相控阵天线而言，端射相控阵天线的研究要少很多。大部分公开发表的论文都未有涉及。这种情况使研究工作变得十分困难。
端射阵列天线具有高增益，较小的尺寸等优点，但是端射阵列天线也具有很多技术方面的难题。首先，端射阵的增益比较不容易提高。相比于平面的阵列天线，端射阵的增益较难提高。因此，高增益的端射阵是研究的技术难点，同时也是研究热点。其次，端射阵阵元间互耦情况复杂，在主辐射方向上的阵元间常常伴随着极强的互耦。互耦会使驻波比变大，方向图增益下降。最后，端射阵中单元间存在互相遮挡的情况，这是在平面阵列分析中没有的情况。
此外，由于端射相控阵在特殊载体上有很强的机动性等优势，而且端射相控阵的技术难题的解决具有很高的价值，所以，研究端射阵有很强的学术和技术价值。如能取得突破性进展，对天线领域将产生巨大的推动作用。
1.4端射相控阵天线的国内外研究现状
现代雷达天线多种多样，适应与不同作战系统的特殊要求。在特殊安装条件下，端射圆环阵的优势明显。传统平面相控阵天线，为了达到很高的增益，所以阵面尺寸很大，有的相控阵天线的阵面是巨大的。而当安装在特殊环境中，需要天线的高度很低，而且需要360度扫描的情况是，设计一台端射圆环阵列天线是明智的[19]。
安装在飞机，高速战车，机动性非常好的设备上的天线有时主要的并不是电性能，而是其与应用载体的一致性。而在这些载体上放置大型相控阵雷达天线是不可能的，会极大破坏其物理属性。使其在战争中失去优势。在这种情况下，本文需要首先满足设备应用，其次才是尽最大可能地追求电性能[20]。
由于端射相控阵雷达天线涉及军事需要，很多都是军事武器装备上所使用，所以公开发表的论文极为有限，能有借鉴价值的论文不多，所以研究极为困难。但还是在一些杂志上看到有对端着相控阵天线研究成果的介绍。本文在此列出国内外的一些关于端射相控阵雷达天线的研究进展。
1999年，美国洛克辛顿的雷神公司的研究人员设计了一款端射阵。阵中单元为指数渐变天线单元，如图1-4所示。

图1-4雷神公司端射阵列单元[29]
图中右侧所示，为指数渐变天线按照端射方向排列的端射阵。左侧为馈电网络。该天线比传统八木天线的频带要宽很多，频率覆盖从0.5GHz ~ 20GHz。该天线单元E面方向图要比H面方向图宽，这一点对端射扫描天线十分有利。该天线围成一圈组成360度的扫描阵列，如图1-5所示。该阵列能实现360度全方向扫描。
还可以在已有的上述天线下方铺设EBG地板。如图1-6所示。利用电磁带隙结构可以改变天线的辐射方向图，利用微型机械可以控制EBG地板的距离等参数。从而可以随心所欲地让天线的方向图改变成我们需要的形式。该EBG地板由金属六边形构成，通过导体棒与真实地板相连。在实际加工过程中，EBG地板与真实地板间往往有介质层的支撑。所以导体棒可以用过孔代替。其中过孔内需要镀金属层。
以上给出了国外的一些研究成果，和最新的研究进展。其中包含了最新最热门的EBG地板结构在端射阵中的应用。下文会给出国内端射天线的研究进展。
近年来，随着国内军用市场的火热，和外国订单的增多，国内开始对端射阵进行研究。例如本文项目即是南京电子技术研究所为甲方资助的项目。下面本文分析一下国内端射相控阵天线研究所取得的成果。
西安电子科技大学有报道研制出基于微带型准八木天线的端射阵。如图1-7所示。只报道了其单元情况，这些金属贴片都是附着在介质基片上，介质基片位于一片大的金属地板上。该天线具有宽带特性，这是这种微带型准八木天线最大的优势。而传统八木天线一般都是窄带工作。该天线其他优点是：前后比高，交叉极化低。该天线还具有易于和载体共型，重量轻等优点。

图1-5雷神公司端射天线阵[29]

图1-6加了EBG地板的指数渐变天线单元[29]

图1-7微带型准八木天线端射阵[10]
该单元的组阵情况还未有报道，很有可能组成平面阵，用于一定空域的扫描或者用于对大型阵列盲区的补盲天线。

1.5本论文的主要内容及结构安排
本论文总体上分为两个部分，前半部分主要论述超宽带相控阵天线的原理，模型，和仿真结果；后半部分主要论述圆环端射阵天线的设计原理，模型，和仿真结果。
第一部分的主要研究内容包括：详细讨论了相控阵天线的工作原理，详细论述了基于强互耦宽带相控阵天线的工作原理，并给出了天线单元的设计模型。设计出的P-L波段小型化宽带相控阵天线能够实现120度的扫描。此外，设计出了具有曲面宽角阻抗匹配层的相控阵天线单元模型，并具有较宽的波束扫描范围。并利用该单元模型，进行了方向图乘积形式的组阵。给出了和平面宽角阻抗匹配层相对应的阵列增益方向图。
第二部分的主要内容包括：讨论了端射圆环阵列的辐射原理，给出了端射圆环阵的阵因子；设计出了端射圆盘阵列模型，给出了端射阵列天线单元与3米圆环阵列的仿真与设计结果。该天线在Ｐ波段频段实现了360度扫描，增益较高。

本文的结构安排如下：
第一章引言部分，主要介绍超宽带相控阵天线的研究意义，介绍了超宽带天线的优势，和所面临的的技术难题。给出了国际国内关于超宽带相控阵领域的研究成果。还介绍了端射相控阵天线的研究意义，端射天线在特殊安装条件下的优势，和面临的技术瓶颈。给出了国际国内在端射阵列天线领域的研究成果，和最新发展趋势。最后，总括介绍了论文的组织结构。
第二章从最基本的电磁场理论开始，详细介绍了天线的辐射原理，阵列天线理论。介绍了基于强互耦效应的超宽带相控阵天线的设计原理，给出了空间辐射结构的等效传输线模型。详细介绍了本文所设计的超宽带相控阵天线的结构，尺寸和参数。
第三章主要介绍了天线模型在商用电磁仿真软件Ansoft HFSS中调试所产生的问题，并且给出了本文所设计超宽带相控阵天线的仿真结果。
第四章给出了端射天线的工作原理，介绍了圆环阵列天线的阵因子与圆环内单元激励相位的公式。重点介绍了本文所设计的端射相控阵天线的设计结构，参数和尺寸。
第五章给出了本文所设计端射相控阵天线的仿真结果。
第二章超宽带相控阵天线的基本原理与天线单元模型
第二章超宽带相控阵天线的基本原理与天线单元模型
2.1传统宽带相控阵天线的工作原理
本章来分析天线阵列的辐射原理。天线阵是由天线单元组成的阵列天线，原理上讲单元可以任意排布，但那样分析起来会非常抽象，没有实用价值。在第二章，本文着重分析均匀线阵和均匀面阵的辐射原理。圆环阵列的辐射原理在本章不予叙述，在后面介绍端射圆盘阵列辐射原理章节中，本文再来分析圆环阵辐射原理。
2.1.1 无限大阵列环境中任意单元的方向图
本文研究任意阵列中第任意个单元，第i个单元的远场辐射方向图，有：
Ei(x,y,z)=-jωATi (2-1)
AT=θ^Aθ+φ^Aφ=μej(ωt-kr)4πrαTθ, φ (2-2)
有：
Eix,y,z=-jωATi=-jωμ4παTiθ, φe-jkRiRi (2-3)
其中第i个单元αTiθ, φ的表达式已由公式（2-16）,(2-17), (2-18)给出，可见，左边一部分仅与阵列中辐射元有关，与阵中单元如何排列无关；另一部分仅与阵列中单元如何排列有关，与具体辐射元是什么类型的天线无关[27]。故，可以将阵列的方向图拆分为仅与具体阵元形式有关的部分，和仅与阵列中单元如何排布有关部分，阵因子的乘积。且在远场时，公式（2-30）中Ri可以用r代替，r是由O点指向所研究场点的矢量；e-jkRi可以用e-jkrejkri∙r代替，所以公式（2-30）可表示成：
Eix,y,z=-jωμ4παTiθ, φe-jkrejkri∙rr (2-4)
其中，ri是由O点指向Pi点的矢量。
在了解了阵列的方向图可以拆分为仅与具体阵元形式有关的部分和仅与阵列中单元如何排布有关部分，阵因子乘积的基础上，本文来研究阵列天线的工作原理。当N+1个相同离散的辐射单元，0th, 1th, …Nth,在空间中指向相同，即任何两个单元可以仅仅通过平移而重合。
定义：Pi(xi, yi, zi)为第i个单元上的参考点；Pj是第j个单元上的参考点，且Pj在第j个单元上所在的位置与Pi在第i个单元上所在的位置相同。则有，
αθ=αaθ, φαθ, eθ, φ (2-5)
αφ=αaθ, φαφ, eθ, φ (2-6)
其中αaθ, φ叫做阵因子，αθ, eθ, φ和αφ, eθ, φ称为Element Pattern Factors。αθ, eθ, φ和αφ, eθ, φ的具体表达式请参考[21].而
αaθ, φ=i=0NIiI0ejkri(cosαisinθcosφ+cosβisinθsinφ+cosγicosθ) (2-7)
其中，Ii和I0分别是第i个和第0个单元上的电流，包括幅度和相位。在此公式中的ri，是由O点指向Pi点的矢量，ri是其大小。αi，βi，γi分别是ri与于x轴、y轴、z轴所成的角，也称作矢量ri的三个方向角。单位矢量ri是ri的单位矢量，可表示为（cosαi，cosβi，cosγi)。且有表达式
ri=riri (2-8)
ri=xi2+yi2+zi2 (2-9)
可见，阵列天线的辐射方向图由阵因子αa和单元方向图决定。特别地，当阵列中辐射元确定后，阵列天线的方向图完全取决于阵因子αa。相控阵天线正是通过调节阵因子中的角度来实现阵列天线最大辐射方向指向本文所需要的方向的。
2N+1个单元均匀分布在一条直线上，中间单元编号为0。单元之间间距为d，则可得阵因子为：
αaθ, φ=n=-NNInI0ejknd(cosαsinθcosφ+cosβsinθsinφ+cosγcosθ) (2-10)
式中，In和I0分别是第n个和第0个（也就是中间单元）单元上的电流，包括幅度和相位。α，β，γ是线上任意某个单元的方向角且一旦取定将不能再改变。当这个等间距线阵在Z轴上铺开时，公式(2-10)可化为：
αaθ=n=-NNInI0ejkndcosθ (2-11)
如果全部单元的激励电流幅度相同且相位相同，这种阵列叫均匀激励的侧射阵，其阵因子可化为：
αaθ=n=-NNejkndcosθ=n=-NNejnψ (2-12)
其中，
ψ=kdcosθ=2πdλcosθ (2-13)
下面本文研究上述天线方向图的零点，即在哪一个θ值处有αaθ=0？先来找第一个零点θ1，当单元间距比波长大得多时，d/λ 足够大时，当
ψ=±2π2N+1 (2-14)
时，阵因子为：
αaθ1=n=-NNe±j2nπ2N+1=0 (2-15)
阵因子为0，则可得阵列天线总的αT=0，由公式可知AT=0，继而该阵列天线在这个角度上的电场强度EA和磁场强度HA都等于零。此即为该阵列天线方向图的零点。此时的
cosθ1=±λ(2N+1)d=±λL (2-16)
则第一个零点θ1为：
θ1=cos-1±λL≈π2±λL (2-17)
其中L=（2N+1）d，为阵列长度。
通过研究给出第二、第三个零点：
θ2=cos-1±2λL≈π2±2λL (2-18)
θ3=cos-1±3λL≈π2±3λL (2-19)
2.1.2一维相控阵天线线阵辐射原理
本文先来分析相控阵线阵天线的情况，当阵元均匀分布（即单元间距相同）在一条直线上，例如Z轴上，且阵元上电流的幅度相同。要使阵列天线的波束指向某一具体位置时，阵元上的等幅电流的相位必须均匀变化，即呈等差数列形式变化。例如：第n个阵元上的电流为：
In=I0e-jnαz (2-20)
这里In和I0分别是第n个和第0个（也就是中间单元）单元上的电流，包括幅度和相位。αz是恒量，名称为Uniform Progressive Phase Factor.
得：
αaθ=n=-NNejn(kdcosθ-αz)=n=-NNejnψ (2-21)
此时该线阵天线的波束指向θ0，有：
αz=kdcosθ0 (2-22)
θ0=cos-1[(αz2π)(λd)] (2-23)
可得相控阵天线的阵因子：
αaθ=n=-NNejnkd（cosθ-cosθ0) (2-24)
这里ψθ=kdcosθ-αz=kd(cosθ-cosθ0)，为根据公式本文可以计算出当线阵阵列天线波束指向特定角度时，每个阵元间的相位差。相控阵天线线阵的零点位置请参考书籍[28]
相控阵天线线阵避免出现栅瓣，即第二个主瓣，的条件如下：
dλ<11+cosθ0 (2-25)
2.1.3二维平面相控阵辐射原理
平面相控阵列天线分布在XOY面的第一象限上，O点处单元编号为P00，在X轴正半轴单元编号依次为P10、P20、P30 … PM0，共M+1个单元，且彼此间距为dx。在Y轴正半轴单元编号依次为P01、P02、P03、…P0N，共N+1个单元，彼此间距为dy。在象限内单元规则排列，X轴方向间距为dx，