CN102623805A - 一种基于互耦控制的低成本相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于阵元间互耦控制技术的、低成本、全新的相控阵天线方案，在不降低天线阵性能的基础上，可以大大减小相控阵雷达的总体成本和重量。本方案中的部分阵元通过连接到馈电网络输出端口上进行直接馈电，另一部分阵元则由可以灵活控制的互耦进行间接馈电，形成了一个对馈电网络来讲是稀疏的、对阵列口径面来讲是密布的全新阵列结构。本发明最大的创新点在于利用而非抑制阵元间的互耦对阵列中的哑元进行耦合激励，达到构建新型低成本、轻重量相控阵天线的目的。本发明构建的相控阵天线集中了众多优点，周期性的稀疏天线阵结构保证了天线阵较轻的重量，并将其成本降低至约原普通相控阵的一半，本发明可用于无线通信和雷达系统中。

Description

一种基于互耦控制的低成本相控阵天线

技术领域

本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，具体涉及一种基于有效控制阵元间互耦的、低成本、重量轻的稀疏周期相控阵天线，可以用于相控阵雷达等波束扫描系统中。

背景技术

天线阵列作为通信和雷达系统的关键部件，为电磁波的高效率辐射和接收提供了可能，即将电磁信号从导波模式转换为自由空间中的辐射模式，或相反的过程。出于波束扫描的需要，早期的天线阵采用机械扫描方式进行，但是波束扫描的速度很慢，同时一旦天线阵列设计完成之后，阵列波束就固定下来，不能进行灵活的控制。相控阵天线则利用对各个阵元激励相位和幅度的独立控制，通过电调的方式，可以快速进行波束扫描，同时也可以实现天线波束形状的快速变换。此外，相控阵天线还具有很多其他方面的独特优势，例如多目标搜索与跟踪、高搜索数据率和跟踪数据率、自适应空间滤波能力与自适应空时处理能力等等。但是，相控阵天线的造价非常高昂，使得对成本尤其看重的民用领域望而却步，一般在对性能要求很高的军用领域才会使用相控阵天线。同时在一些特殊的应用场合，例如机载相控阵天线，重量也是限制其应用的关键指标。

众所周期，连接于各个阵元的馈电网络、移相器、收发组件、放大器等等组件占用了相控阵天线大部分的成本和总重量，显然，越多的阵元就意味着越高昂的成本和越大的重量。在普通的相控阵系统中，首先越多的阵元数目就需要越多的馈电网络端口与之相连，这无疑增加了馈电网络插入损耗，而在整个相控阵天线中，这些损耗是导致系统增益和阵列总效率下降的直接元凶之一；再者，越大的阵元数目就需要越多的收发组件、移相器等与之对应，即更多的重量会附加在相控阵系统中，使得相控阵天线的重量随阵元数量成比例增长。很明显的是，在高增益的相控阵天线系统中，如果希望有效地减小相控阵天线的成本和重量，最直接的方法就是减小阵元的数目，稀疏天线阵正是为解决这些问题而发明的。通过特殊的优化设计过程，例如遗传算法、粒子群优化算法(Particle-Swarm Optimization)等，稀疏天线阵可以实现方向图扫描、较大的阵元间距和较窄的波束。

对于小型的稀疏阵列来讲，这些优化算法能够在可以接受的时间内完成可以承受的优化工作量，但是对于大型的阵列而言，这些优化算法所需的时间已经不能被接受。再者，稀疏天线阵自身的一些缺点也决定了它不是某些大型相控阵天线的首选，例如它的低口径效率造成宝贵的天线口径资源的浪费等。第三，一般的稀疏阵列都是非周期性的，除了非周期结构自身设计的困难外，较之周期性结构，也存在加工、建造等更深层次的问题。周期性阵列仍然是目前研究应用最为广泛的阵列类型，它的设计可以参照目前已经较为成熟的阵列设计理论和实践经验，得到更为精确的结果。周期性的稀疏阵列天线虽然可以解决非周期性带来的某些困难，但会导致电性能方面的恶化，例如较大的阵元间距会造成天线阵的副瓣增加、阵元间互耦的影响较大、扫描角度被限制在一个较小的范围内等等，且目前对周期性稀疏阵列天线的研究及应用均很少。

在一般的天线阵设计中，互耦是一个非常不利的因素，它会造成阵列方向图的畸变、阵元输入阻抗及匹配状态的变化、阵列扫描角的减小等等，因此在天线阵设计的过程中人们往往采用抑制互耦的方法，使它的影响降低到最低限度，例如在阵元之间加电磁带隙结构(EBG)结构、刻槽等等手段，达到抑制互耦的目的。这些方法可以取得一定的效果，但是这些结构的引入无疑使天线阵的结构更加复杂，无形中也增加了天线阵的成本、重量或设计难度。另外一种选择则是首先将互耦的影响考虑到每个阵元设计当中，然后在整个天线阵设计的过程中，就适当考虑了互耦影响的因素，但在实际的相控阵应用中，阵元间的互耦、阵元的输入阻抗等都会随着扫描角的变化而变化，所以这种方法并不能较精确的将互耦的不利影响考虑到天线阵设计的当中。

既然互耦的抑制是一项如此复杂的工作，反之在天线阵设计过程中利用互耦的影响、使其成为对设计有益的因素是一个较好的选择。实际上，这种想法已经在宽带相控阵天线上得到应用，在美国的几所大学和公司里，以Ben Munk等人在宽带相控阵天线的研究为代表，有意增加阵元之间的互耦，达到降低天线阵最低工作频率的目的。这种天线阵的最低工作频率由天线阵的总尺寸决定，满足在最低频率处的波长和天线阵的总大小相当；最高工作频率由阵元间距决定，满足阵元间距小于半个波长。这种天线阵列虽然可以工作于很宽的带宽内，但是在高频段由于阵元间距很小(比如当高频段位于Ku及更高的频段时，阵元间距只有毫米量级)，使得用于放置其他各电路组件的空间过于狭小，甚至没有足够的空间布置其他组件，例如移相器、收发组件、放大器等等。另外，对于基于强互耦的宽带阵列，由于阵元同样是紧密排列于阵列口径面上，当阵列中阵元数量很大时，同样会有成本过高、重量较大等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有相控阵天线的成本和重量问题。在不降低天线阵口径效率、增益等性能的基础上，利用阵元之间的互耦，实现周期性的稀疏天线阵列，达到减小馈电网络复杂度和损耗、减少直接馈电阵元和相关组件/部件数量的目的。该发明可以用作构建应用于军事及民用领域的低成本、高性能相控阵天线。

本发明所述的一种基于互耦控制的低成本相控阵天线，包括新型的线性/平面/其他曲面相控阵天线结构、互耦控制和利用的思想及方法。该相控阵天线由馈电阵元(直接馈电的阵元)和哑元(非直接馈电的阵元)共同构成辐射口径，馈电阵元通过馈电网络直接激励，哑元则通过互耦间接激励，形成对馈电单元而言是稀疏的、而对阵列口径而言是密布的新型周期性阵列。

本发明利用带移相器的耦合结构来控制阵元间互耦的幅度和相位，进而灵活控制相邻哑元上由互耦激起的电流或电场。整个相控阵天线的波束扫描和变换能力则通过同时控制馈电阵元和耦合网络的幅度与相位实现。

在构建一维相控阵天线时，馈电阵元、耦合网络和哑元分布于阵列的轴线上，可直接通过控制馈电阵元和耦合网络的幅度与相位，达到阵列口径上所有阵元的电场或电流按照所需要的规律分布，实现波束扫描或变换。当用于构建二维阵列时，有两种可行的方法，其一是将馈电阵元、哑元和相应的耦合网络排布在一个维度上，在另一个维度上则根据普通密布阵列的形式排列，通过同时控制馈电单元和耦合网络的幅度与相位，实现在一个维度上馈电阵元稀疏排布的二维相控阵天线；其二是同时将馈电阵元、哑元和相应的耦合网络排布在两个维度上，通过控制馈电阵元和耦合网络的幅度与相位，实现在两个维度上馈电阵元均为稀疏排布的二维相控阵天线。其他形式的曲面相控阵天线可以由同样的构建方法进行构建。

本发明中构建的新型相控阵天线不受阵元形式的限制，可以由不同的阵元形式实现，例如微带天线、缝隙天线、半波偶极子等等，同时可以用于各种工作频率和各种极化形式的相控阵天线中，例如中波、短波、射频、微波、毫米波和亚毫米波等频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：普通周期阵列阵元之间的互耦虽然对天线阵性能的影响比较明显，但这种强度的互耦还不足以促使新型相控阵天线的发明，同时这种互耦往往是通过空间、表面波等方式进行，不容易甚至不可能灵活控制。和普通周期阵列相比，本发明中的阵列是通过故意增强并控制阵元之间的互耦来实现的。当可以通过特殊手段控制阵元间互耦的幅度和相位时，便可以灵活控制耦合到相邻阵元上的电流或电场，当在两阵元上的电流相位和幅度满足不同的关系时，便可实现不同的辐射方向图和波束扫描角。也就是说，此时相控阵天线有部分阵元没有直接馈电，但是其性能和普通全馈电的天线阵没有区别；另一方面讲，对于同样的阵列，利用本发明可以在不损失电性能的基础上，大大减小所需要的馈电网络输入/输出端口、收发组件、放大器等组件/部件的数量，因为在相控阵系统中，这些组件占据了整个系统的很大一部分造价，所以本发明对降低相控阵系统的成本有着实质性的作用，同时也可以显著地减轻整个相控阵系统的重量。例如，两种阵元可以交替排列在阵列口径面上，这样只需对其中总阵元数的一半直接激励既可实现所需的效果，也可以按照每个馈电阵元附带两个哑元的方式进行排布，这样就只需要对三分之一的阵元直接激励，可以实现更低的造价和更小的重量。

另外众所周知，系统的可靠性和构成该系统的组件数量成反比，越多的组件数量即意味着越低的系统可靠性，所以本发明也可以在不降低阵列性能的基础上，通过减少所需组件的数量有效地提高系统的可靠性。

虽然本发明中的阵列是一种稀疏天线阵，但是和普通非周期稀疏天线阵相比，在设计方法、电气性能等方面有着较大的不同。首先，普通非周期的稀疏天线阵需要经过特殊的优化过程才能到达低副瓣等电性能，对于口径较小的阵列而言，这种优化过程也许可以较快地完成，但是当口径相对较大、所需的阵元数量较多时，这种优化过程所需要的时间往往难以承受，大大增加阵列的设计时间和设计难度。而本发明中的周期天线阵列，可以直接采用几十年来已经相对成熟的研究成果，设计出不同性能的天线阵。其次普通非周期稀疏天线阵口径效率往往较紧密排布的周期阵列低，当用作高增益、高分辨率相控阵天线时，天线口径这一宝贵资源的利用率也直接或间接地决定着相控阵系统的构建成本、结构设计难度等指标，而较小阵列口径效率往往也预示着阵列设计的失败；但对于本发明中的周期阵列来讲，则兼具普通密布周期阵列的高口径效率和稀疏阵列较少的馈电阵元数量等优势，较好地克服了普通非周期稀疏天线阵的缺点。以上几点仅仅是本发明具有的众多有益效果的几个典型例子，对改善目前相控阵天线系统成本高、重量大等缺点有着实质性作用。

附图说明

图1(a)是普通线性天线阵中阵元间的互耦示意图；

图1(b)是普通二维天线阵中阵元间的互耦示意图；

图2(a)是本发明中的新型阵元及线性阵列结构示例之一；

图2(b)是本发明中的新型阵元及线性阵列结构示例之二；

图2(c)是本发明中的新型阵元及线性阵列结构示例之三；

图2(d)是本发明中的新型阵元及线性阵列结构示例之四；

图3(a)是本发明中的新型二维阵列阵元示例之一；

图3(b)是本发明中的由第一种二维阵列阵元构成的二维天线阵结构示例；

图4(a)是本发明中的新型二维阵列阵元示例之二；

图4(b)是本发明中的由第二种二维阵列阵元构成的二维天线阵结构示例；

图5(a)是本发明中的新型二维阵列阵元示例之三；

图5(b)是本发明中的由第三种二维阵列阵元构成的二维天线阵结构示例；

图6是差分馈电的微带天线(在此做为本发明的具体实施方案示例之用)；

图7(a)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第一种线性阵列结构(如图2a)的E面阵列示例之一；

图7(b)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第一种线性阵列结构(如图2a)的E面阵列示例之二；

图7(c)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第二种线性阵列结构(如图2b)的E面阵列示例之一；

图7(d)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第三种线性阵列结构(如图2c)的E面阵列示例之一；

图8(a)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第一种线性阵列结构(如图2a)的H面阵列示例之一；

图8(b)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第一种线性阵列结构(如图2a)的H面阵列示例之二；

图8(c)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第二种线性阵列结构(如图2b)的H面阵列示例之一；

图8(d)是由微带天线阵元构成的、基于本发明中第三种线性阵列结构(如图2c)的H面阵列示例之一；

图9是四单元相控阵天线的增益仿真和测试曲线；

图10是四单元相控阵天线的反射系数仿真和测试曲线；

图11是四单元相控阵天线的方向图仿真和测试曲线；

图12是本发明中新型相控阵系统示意图；

具体实施方式

下面结合附图，以微带天线为阵元对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施示例。

图1(a)描述了线性天线阵1a中，阵元11间的互耦情况，相邻阵元间的互耦要显著高于非相邻阵元。类似地，图1(b)描述了二维天线阵1b中阵元12间的互耦，同样相邻阵元互耦要显著高于非相邻阵元或对角阵元，故在本发明中只考虑相邻阵元间的互耦。作为示例，设如图1(a)所示的一维线性阵列1a是E面(或H面)阵列，那么第i个和第i+1个阵元间互耦就可以用C_E(或C_H)表示。在通常的相控阵天线设计过程中，人们往往希望消除或最大限度地抑制C_E(或C_H)，采用的方法包括加电磁带隙结构等，使得最终的阵列结构复杂、设计和加工成本增加，同时也会降低阵列的可靠性。对于二维阵列1b而言，也存在同样的问题，可以假设该阵列的E面和xz面重合、H面和yz面重合，人们采用多种特殊手段来抑制C_E、C_H或两者，也会带来上述复杂的阵列结构和成本等问题。

在本发明中，采取的方案不是抑制阵元间的互耦，而是增强和控制它，使得阵列中部分阵元可以直接通过互耦传递的能量进行激励，这样由馈电网络提供的能量便可以通过互耦更合理地分布在阵列的口径上，从而达到提高天线阵效率、减少直接馈电的阵元数量、降低天线阵成本的目的。

在构建一维相控阵天线时，馈电阵元、耦合网络和哑元分布于阵列的轴线上，可直接通过控制馈电阵元和耦合网络的幅度与相位，达到阵列口径上所有阵元的电场或电流按照所需要的规律分布，实现波束扫描或变换。图2(a)给出了如何利用互耦构建第一种线性天线阵列的示例。其中每一个馈电阵元201被两个哑元202包围形成一个新的阵元21，新阵元21以周期2d排列于水平方向上，形成一个均匀的周期性线性阵列2a。在新阵列2a中，对于馈电阵元201而言，该阵列是稀疏的。值得注意的是，该阵列并不受极化等限制，水平方向可以是阵列的E面或H面，同时对于圆极化、双极化等形式也同样适用。通过合理设计馈电阵元201和哑元202之间的、带移相功能的耦合结构203，它们之间的互耦便可以得到合理地控制，使得耦合到哑元202上的能量和馈电阵元201在幅度和相位上保持一致，这时该新型阵列2a便为侧射阵列。此时馈电阵元201和哑元202对天线的方向图、增益等指标起着同等重要的作用，对于阵列2a的口径而言，该阵列可以等效为辐射阵元(包括馈电阵元201和哑元202)周期性密布的普通阵列，故可以实现和普通周期密布阵列相当的辐射性能。同样，通过恰当地调节耦合结构203，可以达到控制互耦幅度和相位的目的，整个相控阵天线的波束扫描和变换能力便可通过同时控制馈电阵元201和耦合网络203的幅度与相位实现。在天线阵2a中，馈电阵元201的数量仅仅为总阵元数的二分之一，与其连接的各射频、微波、毫米波或亚毫米波组件的数量便可降低到普通阵列的二分之一，从而大大降低整个相控阵天线的成本。可以看出，这样的设计方案不但具备稀疏阵列低成本、馈电阵元少的优势，同时在辐射特性上也具备普通密布周期阵列的高口径效率、低副瓣等特性，再者相关的普通密布周期阵列设计理论和方法也可以直接应用于该阵列的设计中，避免了非周期稀疏阵列设计的一系列麻烦。

图2(b)给出了本发明中的新型阵元22及第二种线性阵列结构示例2b。在这种方案中，每一个馈电阵元201被两个哑元202包围，形成一个新的阵元22，因此馈电阵元201的数量为总阵元数量的三分之一，另外三分之二则为通过利用互耦间接馈电的哑元202。故可以很大程度上降低相控阵系统的成本和重量。

图2(c)给出了本发明中的新型阵元23及第三种线性阵列结构示例2c。该方案中每一个哑元202被两个馈电阵元201包围，形成以新阵元23为阵元、以3d为周期的新型阵列2c。其中对馈电阵元201而言，该阵列为一个新型的稀疏天线阵，通过调节具有移相功能的耦合结构203，在哑元202和馈电阵元201上可以得到所希望的电流或电场分布，使得在阵列2c的辐射口径上，阵元(包括馈电阵元201和哑元202)可以等效为周期为d的密布排列，所以同样有着和普通密布周期阵列相当的辐射性能。同样，整个相控阵天线的波束扫描和变换能力便可通过同时控制馈电阵元201和耦合网络203的幅度与相位实现。同时，相比普通周期性密布阵列(周期为d)，该阵列同样可以节约大量的成本、并减轻很多的重量。

图2(d)给出了本发明中的新型阵元24及第四种线性阵列结构示例2d。在此阵列2d中馈电阵元201和哑元202虽然也是交错排列于水平方向上，但是每一个馈电阵元201通过具有移相功能的耦合结构203为一个哑元202提供能量，故在此阵列2d中，每个新阵元24由一个馈电阵元201和一个哑元202构成，可以为新型的相控阵节约一半的馈电阵元数量。

当用于构建二维阵列时，有两种可行的方法，其一是将馈电阵元、哑元和相应的耦合网络排布在一个维度上，在另一个维度上则根据普通密布阵列的形式排列，通过同时控制馈电单元和耦合网络的幅度与相位，实现在一个维度上馈电阵元稀疏排布的二维相控阵天线；其二是同时将馈电阵元、哑元和相应的耦合网络排布在两个维度上，通过控制馈电阵元和耦合网络的幅度与相位，实现在两个维度上馈电阵元均为稀疏排布的二维相控阵天线。其他形式的曲面相控阵天线可以由同样的构建方法进行构建。以下三个示例主要针对两个维度上馈电阵元均为稀疏排布的二维相控阵天线。

图3(a)给出了这种新型二维周期性稀疏阵列阵元的一个示例31，图中阵元(i+1，j+1)为馈电阵元301，其余为哑元302，阵元的四个边界均为周期边界。通过控制水平面和垂直面上四个具有移相功能的耦合结构303、304，便可灵活控制馈电阵元301和哑元302之间的互耦，达到将电磁能量按所需的幅度和相位要求进行重新分布的目的。利用图3(a)中的阵列阵元31可以构建出如图3(b)所示的二维天线阵列结构32，实现馈电阵元301在水平和垂直方面上均为稀疏分布的特性。同时，整个相控阵天线的波束扫描和变换能力可通过同时控制馈电阵元301和耦合网络303、304的幅度与相位实现。在这种阵列中，每个馈电阵元31均被四个哑元302包围，对整个阵列32而言，馈电阵元301和哑元302的比为1∶2，馈电阵元的数量为阵列阵元总数量的三分之一，故大大降低馈电网络所需要的输出端口数，即意味着可以显著降低馈电网络损耗以及阵列成本和重量。

图4(a)给出了本发明中的由第二种二维阵列阵元41构成的二维天线阵结构示例42，其中每个馈电阵元401由三个哑元402包围，形成一个三角形阵列阵元41形式。通过控制水平和垂直方向上具有移相功能的耦合结构403、404，同样可以达到灵活控制互耦的目的，从而可以控制耦合到哑元上的电磁能量的相位和幅度。利用该阵元可以构建出如图4(b)所示的新型二维周期性稀疏阵列42，该阵列中馈电阵元401的数量仅为普通密布阵列的三分之一。

图5(a)给出了本发明中的由第三种二维阵列阵元51构成的二维天线阵结构示例52。其中每两个馈电阵元501由两个哑元502包围，形成一个环形阵列阵元51。同样通过控制水平和垂直方向上具有移相功能的耦合结构503、504，可以达到灵活控制互耦的目的，进而可以控制耦合到哑元502上的电磁能量的相位和幅度。利用该阵元可以构建出如图5(b)所示的第三种二维周期性稀疏阵列52，该阵列中馈电阵元的数量仅为普通密布阵列的二分之一。

以上仅仅是基于本发明的众多关于一维和二维稀疏阵列可行方案中的七个示例，除此之外，基于互耦控制思想构建的、具有低成本、重量轻等性能的所有稀疏阵列均属于本发明的保护范围。同时，本发明中构建的新型相控阵天线不受阵元形式的限制，可以由不同的阵元形式实现，例如微带天线、缝隙天线、半波偶极子等等，同时可以用于各种工作频率和各种极化形式的相控阵天线中，如中波、短波、射频、微波、毫米波和亚毫米波等。

为了更具体地说明该发明的实施方式，在此以微带天线为例进行详解。图6给出了双探针差分馈电的微带天线61，各包括辐射贴片601、微带天线地面602、馈电点603、支撑介质604以及与馈电用接头605相连接的馈电探针606。在利用本发明构建线性微带相控阵天线时，考虑到极化等因素，可以构建多种天线阵列形式，例如如图7所示的E面微带相控阵天线、如图8所示的H面微带相控阵天线等。

利用图2(a)所示的阵列2a和阵元结构21构建E面线性微带相控阵天线7a时(如图7(a)所示)，每一个有源微带天线阵元701被两个无源微带天线阵元702所包围，构成一维周期性稀疏微带天线阵，它是以新型阵元71为基础周期性排列的新型阵列。其中具有移相功能的耦合结构703有多种实现方法，例如带线结构，其相位可以通过移相器或者铁电体材料(Ferroelectric material)等等进行控制。耦合结构703和阵列阵元之间直接连接在一起，或通过边缘耦合的方式进行设计，达到控制耦合量但不显著影响阵元方向图等目的。通过优化耦合结构703，可以实现各微带阵元上(包括馈电阵元701和哑元702)的电流704按照所需要的方式进行分布的目的。通过控制馈电阵元701和耦合结构703的幅度和相位便可实现波束的扫描。

同样地，利用如图2(a)所示的阵列和阵元结构，也可以构建图7(b)的E面线性微带相控阵天线7b。在阵列7b中，馈电阵元701、哑元702、耦合结构703可以按照和阵列7a相似的方法进行。所不同之处在于，现实中的阵列均为有限大阵列，阵列7a起始阵元为哑元702，阵列7b起始阵元则为馈电阵元701，两者均可实现所需要的电流分布704。

利用如图2(b)和2(c)所示的阵列2a、2b和阵元结构22、23，可以构建出如图7(c)和图7(d)所示的E面线性微带相控阵天线7c和7d。它们各以新型阵元73、74周期排列于水平方向上，达到对馈电阵元而言是周期稀疏特性的目的。同样地，利用如图2(d)所示的阵列2d和阵元结构24，也可以相应地构建出另外一种新型E面线性微带天线阵列，这里不再赘述。

利用本发明同样可以构建H面线性微带相控阵天线，利用和E面微带相控阵天线相似的阵列结构，分别得到如图8(a)、(b)、(c)、(d)所示阵列8a、8b、8c和8d，分别由阵元81、82、83、84周期性地排列于水平方向上，其中不同的阵列结构中馈电阵元801和哑元802所占的比例不尽相同，决定了这些阵列示例的成本构成。进一步讲，当利用本发明构建其他极化形式的线性和二维微带天线阵列时，其思想和图7、图8的阵列类似，这里不再一一给出。虽然随着阵元天线形式的不同，所构建的天线阵列在结构形式上存在很大差别，但是均基于本发明中的阵列设计思想，故均属于本发明的保护范围。

利用图7(b)的阵列结构和图6的微带阵元可以构建出E面线性微带相控阵天线，该天线阵由四个馈电阵元和三个哑元构成。其中耦合结构采用的是微带线形式，通过探针直接和微带天线阵元相连，耦合结构对相位的控制是通过移相单元来实现的，因本实例仅为了说明本发明的具体实现形式，故仅采用了固定移相器。图9和10给出了该实例反射系数和增益的仿真与测试结果，该阵列工作于4.6GHz，可以实现14dBi的增益和低于-20dB的反射系数。由于天线模型制作的误差和所用介质材料较大的损耗，造成仿真结果和实验结果的偏差。图11给出了该阵列在4.6GHz时的E面方向图，波束指向为14°，仿真结果和实验结果实现了较好的吻合。

图12给出了该发明在相控阵系统中的应用示例，图中该系统包括利用本发明构建的新型相控阵天线121、信号源123和其他前端组件122。在不同的系统方案中，前端组件122所包括的组件及连接方式也有所不同，在本示例中包括收发组件(或称T/R组件)127，移相器128、功分网络129，这些组件占据了相控阵天线绝大部分的成本和重量，并且由多端口功分网络引起的损耗也是相当可观。天线阵121中包括哑元124、馈电阵元125、耦合结构126，在本示例中馈电阵元仅占总阵元数的三分之一，故利用本发明新构建的相控阵系统仅需要原系统三分之一的收发组件127和移相器128，同时功分网络129的输出端口数量也降低至原来的三分之一，大大减小了其损耗，等效为间接增加了阵列的增益。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (4)

1.一种基于互耦控制的低成本相控阵天线，包括直接馈电阵元、哑元(非直接馈电阵元)、耦合结构和馈电网络；其特征在于：所述相控阵天线由馈电阵元(直接馈电的阵元)和哑元(非直接馈电阵元)共同构成辐射口径，馈电阵元通过馈电网络直接激励，哑元则通过互耦间接激励，形成对馈电单元而言是稀疏的、而对阵列口径而言是密布的新型周期性阵列。

2.根据权利要求1所述的一种基于互耦控制的低成本相控阵天线，其特征在于：所述相控阵天线利用带移相器的耦合结构来控制阵元间互耦的幅度和相位，进而灵活控制相邻哑元上由互耦激起的电流或电场；整个相控阵天线的波束扫描和变换能力则通过同时控制馈电阵元和耦合网络的幅度与相位实现。

3.根据权利要求1至2所述的一种基于互耦控制的低成本相控阵天线，其特征在于：通过将馈电阵元、哑元和相应的耦合结构排布在一个维度上，控制其中馈电阵元和耦合网络的幅度与相位，实现一维相控阵天线；通过将馈电阵元、哑元和相应的耦合结构排布在一个或两个维度上，控制一个维度上或同时控制两个维度上的馈电阵元和耦合网络的幅度与相位，实现两种二维相控阵天线；采用和二维相控阵天线同样的方法进行构建曲面相控阵天线。

4.根据权利要求1至3所述的一种基于互耦控制的低成本相控阵天线，其特征在于：通过控制馈电阵元和耦合网络的幅度与相位构建的相控阵天线不受阵元形式的限制，同时适用于各个频段和各种极化形式。 

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