周吻亮博士在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters上发表全金属相控阵天线研究成果
近日，本团队周吻亮博士在低成本超宽带全金属相控阵天线设计中取得最新研究进展，相关成果以“Full-Metal Dual-Polarized Phased Array Antenna With Large Element Spacing”为题，在电磁辐射与散射领域权威期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters发表。周吻亮为论文第一作者，屈世伟教授为论文通讯作者，北京大学夏明耀教授为论文共同作者，电子科技大学为论文唯一署名单位。针对星载雷达系统的具体应用场景以及需求，周吻亮博士首次对大单元间距的全金属天线进行深入研究，通过改变全金属天线结构，增加一个微扰金属柱，极大地拓宽了天线的高频带宽，将天线的单元间距由传统超宽带天线阵不足0.5倍高频波长增加至0.533倍高频波长，实现了大单元间距相控阵天线，在实现相同口径面积的前提下，可显著缩减有源通道的需求量。
进入二十一世纪，基于星载平台的星载有源相控阵雷达已成为军事侦察和战略预警的重要手段。考虑到卫星发射载重和受限的空间环境下，星载有源相控阵雷达在提高分辨率、提高工作带宽以及部署轨道高度都有更严苛的要求。同时出于成本考虑，需要精准的控制雷达载荷重量。此外，星载雷达系统需要承受卫星发射时的机械环境的考验，而且必须长期无故障地连续工作。因此，星载雷达天线必须满足耐高温、抗震动、大功率容量以及抗辐照特性。全金属天线由于其结构强度大，适用于各种严苛的工作环境下，同时全金属结构可以避免微带损耗等问题，天线工作效率更高。因此，全金属天线广泛应用于航空航天等领域。现有报道的全金属天线阵列的单元间距都不超过高频的半波长，虽然这是典型的相控阵天线的单元尺寸，但是考虑到星载系统的发射成本，大单元间距的相控阵天线具有更好的应用前景。
针对星载雷达系统的具体应用场景以及需求，周吻亮博士提出了一种大单元间距的具有高结构强度的全金属双极化超宽带相控阵天线，通过提出一个等效矩形谐振腔模型对双极化天线单元进行等效，解释了天线高频谐振点的谐振原理。然后通过增加微扰金属柱改变等效矩形谐振腔的谐振模式，拓宽了天线的高频带宽。相控阵天线单元的间距提高至0.533倍高频波长。图1为加工的天线样机，图2为天线单元仿真和测试的E面与H面扫描性能。测试与仿真结果表明提出的设计方法是合理有效的，大单元间距排布的相控阵天线可有效地降低系统中的T/R组件的数量，从而降低星载相控阵天线的成本。
图1 加工的天线样机
图2 样机的测试有源驻波比与仿真结果对比
屈世伟教授小组
2023年10月5日