鲁森林在IEEE Trans AP上发表Ku/Ka频段共口径相控阵阵列研究成果
团队博士生鲁森林基于周吻亮博士所取得L/X频段共口径相控阵天线研究成果，对Ku/Ka频段共口径相控阵设计进行了进一步研究探索。鲁森林博士针对共口径相控阵天线在频率比2：1的情况，通过使用贴片天线和槽天线分别作为共口径相控阵的高频和低频天线，并将贴片天线设计在槽天线上方，实现在Ku/Ka频段均能相控扫描的性能。本论文以“Low-Profile Ku-/Ka-Band Shared-Aperture Phased Array”为题，发表在天线领域顶级期刊《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》上。
近年来，共口径相控阵天线的合成孔径雷达中起着关键作用，故而引起了学术界和工业界的广泛关注。在共口径相控阵天线的设计中，因需要两个频段天线均能实现相控扫描的性能，故而需要在天线近场的环境下对两个频段的天线的辐射特性进行协同设计以减小两个频段天线之间的相互影响。尤其是在Ku/Ka频段时候，两个频段之间频率比为2：1，高频天线单元在低频天线单元结构中激励起的高次模谐振较为严重，如何抑制高频天线扫描时的高次模一直是Ku/Ka频段共口径相控阵天线的难点与重点。
图1 提出单元结构的3D视图
在周吻亮博士的研究基础上，鲁森林博士对Ku/Ka频段共口径相控阵做了进一步的深入研究，提出了设计Ku/Ka频段共口径相控阵的新方法。该方法提出了利用差分馈线对多条槽结构进行馈电，使得提出的低频槽天线相比传统馈电的槽天线获得了更好的阻抗匹配（见图1）。在天线单元的整体布局中，高频的天线被设计在低频的槽天线的上方，低频槽天线的槽结构层作为高频天线的地板，避免了引入额外的频率选择表面作为高频贴片天线的地板。论文还探究了高频工作时候在低频槽天线结构中激励起的高次模的原因，并提出了改变高频贴片天线和低频槽之间的相对位置，使得低频槽中被激励的高次模得到了抑制。
图2（a）低频的X极化端口在E面和（b）H面扫描有源驻波比
图3 （a）低频的Y极化端口在E面和 （b）H面扫描有源驻波比
图4 （a）高频端口在E面和 （b）H面扫描有源驻波比
图5 阵列实物照片
图5给出了阵列的实物照片。结果表明，利用该方法设计的共口径相控阵天线单元，在14~17GHz的Ku频段内，实现了双极化的工作，并且两个极化分别在E/H面扫描至±45°时，端口有源驻波均低于3（见图2-图3）；同时，在33~36GHz的Ka频段内，E/H面扫描至±30°时，端口有源驻波低于3（见图4）。因此，该工作为Ku/Ka频段共口径相控阵天线的实际工程应用提供了新方案。
屈世伟教授小组
2023年10月8日