阵列天线易于实现高增益、波束扫描及波束赋形等功能,成为了现代无线通信、导航、雷达等信息系统收发信号的主要手段。为满足上述现代无线信息系统面向高速率、广覆盖、多功能等方向发展的应用需求,要求其阵列天线具有宽工作带宽及宽角波束扫描能力,同时兼顾平面化、低剖面、多极化辐射等特性。为应对上述要求和挑战,本论文以拓展阵列天线工作带宽和波束扫描范围为研究课题,从阵元间耦合控制角度出发,对弱耦合谐振型阵列天线和紧耦合类行波型阵列天线展开研究,通过理论建模、实现方法、实验验证等系列探索,取得了重要研究进展。本论文的主要研究内容概述如下:1.探索了宽角匹配层单元间耦合对其性能的影响。仿真分析表明利用匹配层单元间的耦合,可在更宽的工作带宽下实现其宽角匹配特性。接着,将匹配层加载于紧耦合阵列天线上部,实现了阵列天线良好的宽带宽角扫描能力,展现了其在宽带宽角扫描相控阵天线中广阔的研究前景。2.深入分析了一类超材料天线的宽带工作机理,提出了多种新型小型化宽带超材料天线单元,发展了一种拓展基于谐振型贴片天线单元宽角扫描相控阵天线带宽的有效方法。基于超材料单元色散特性,依次提出了H面、E面和二维小型化宽带超材料天线单元,并将其应用于无栅瓣宽角扫描相控阵天线研究。通过设计馈电结构实现小型化超材料天线良好的宽带阻抗匹配,借助缺陷地结构消除E面一维线阵中表面波耦合导致的扫描盲点,改进二维阵列天线馈电结构抑制后向辐射等,最终实现了超过20%工作带宽、±60°波束扫描范围的低扫描增益波动的一维线阵及二维面阵,显著提升了传统基于谐振型贴片天线单元宽角扫描相控阵天线的工作带宽。3.提出了一种基于紧耦合类行波原理的低输入阻抗超宽带连接平行槽阵列天线方案,以及将宽角匹配层直接融入到阵面口径的设计思想,实现了超低剖面的宽带宽角扫描相控阵天线,有效克服了传统紧耦合宽带宽角扫描相控阵天线中需使用复杂宽带巴伦、高剖面宽角匹配层的难题。通过在传统连接槽阵列天线上引入寄生槽结构降低其输入阻抗,结合直接加载于阵面口径的超表面宽角匹配层,最终实现了两倍频工作带宽、二维±60°波束扫描范围、剖面高度仅为0.088λ_L(λ_L为最低工作频率的自由空间波长)的连接平行槽相控阵天线。为深入地理解和展现寄生槽工作机理和超表面宽角匹配层工作原理,分别提取了连接槽阵列单元和超薄匹配层单元的等效表面阻抗,建立了传统连接槽结构、寄生槽结构、金属反射板、超薄宽角匹配层等相应的传输线等效电路模型,并对比全波仿真结果,验证了等效电路的合理性,为该类阵列天线的研究提供简洁高精度分析方法。4.创新性地将无限大磁流片概念应用于圆极化阵列天线研究中,结合镜像原理提出了一种低剖面、单向辐射的超宽带圆极化连接平行槽阵列天线。通过正交放置连接平行槽结构,构造了两正交分布的等效磁流;采用四分之三圆弧移相结构,在两正交等效磁流间引入了合适的相位差,实现了具有2.4倍频轴比带宽的超宽带圆极化连接平行槽阵列天线。同时,通过使用金属反射板抑制后向辐射,提高边射增益,使圆极化阵列天线的边射增益接近理想口径方向性系数。5.基于全极化偶极子概念,提出了一种极化不敏感的天线单元及其宽角扫描阵列天线,提升了收发天线随机姿态下通信链路的稳定性。首先,通过弯折偶极子天线构造三对幅度近似相等的正交电流分布,实现了准全空间的全极化覆盖,并结合人体无线内窥镜系统场景进行了实验验证。接着,结合时间反演自适应波束形成技术,对由随机姿态随机位置的25单元随机阵列天线的极化不敏感宽角扫描性能展开研究,最终实现了自由空间中随机阵列±85°及无限大地平面上随机阵列±60°的极化不敏感波束扫描特性。