相控阵天线因其独特的波束控制能力广泛用于雷达、通信等领域。具备宽角宽带扫描能力的相控阵天线更是确保相关系统高性能工作的关键技术,亦是相控阵天线领域的热点和难点问题。阵列单元间的相互作用,即互耦,会改变单元上电流的幅度和相位分布,导致单元呈现出不同于孤立状态下的阻抗和辐射特性,进而影响阵列扫描性能。因此互耦是造成宽角宽带扫描成为设计难点的主要原因。本文从关键的互耦控制角度出发,对相控阵天线宽角宽带扫描方法进行深入研究,主要工作概括如下:1.从补偿互耦的角度出发,研究了基于重叠馈电结构的互耦补偿网络。通过分析其互耦补偿机制,我们发现重叠馈电网络引入了随扫描角度变化的补偿耦合信号。随后采用电路模型和全波仿真相结合的研究方式,对重叠馈电网络的具体设计过程进行了详细说明。在研究中我们发现功分器输出臂的相位调整作用是重叠馈电网络实现大角度扫描时互耦补偿的关键。最后设计、加工并且测试了采用重叠馈电网络的16单元微带天线线阵。得益于改善的宽角阻抗匹配,仿真和测试结果均显示该阵列在中心频率扫描至±60°时增益下降小于3dB,实现了宽角扫描。2.从补偿互耦的角度出发,研究了基于连接耦合器的两类互耦补偿网络。这两类网络都是通过有意引入一路间接耦合信号来抵消天线辐射口径上的直接耦合信号,进而补偿由直接耦合信号造成的阵列单元有源输入阻抗随扫描角的变化。耦合器用来控制间接耦合信号的幅度,传输线用来连接相邻耦合器并进行相位调整。利用散射矩阵理论,详细分析了这两类网络的工作原理,并给出了一般性的设计步骤。第一类互耦补偿网络使用了匹配电阻,其损耗不容忽视。为此我们提出了不需要电阻加载的第二类互耦补偿网络,并在二单元微带天线阵列上进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果表明,由于直接和间接耦合信号相互抵消,相邻单元馈电端口的隔离度得到显著提高。进一步我们对两类互耦补偿网络的带宽特性进行分析,并针对第一类网络给出了提高互耦补偿带宽的解决方案。3.在上述理论分析和实验验证的基础上,研究了这两类网络在宽角宽带扫描相控阵天线中的表现。我们首先将第二类互耦补偿网络拓展应用至16单元微带天线线阵。通过对相邻单元间互耦信号的有效补偿,实现了阵列单元的宽角阻抗匹配,避免了大角度扫描时因阻抗失配造成的增益下降。在0°~60°的扫描范围内,仿真的-10dB的阻抗带宽约为5.5%。测试结果表明阵列扫描至66°时,增益仅下降3.04dB。随后我们对第一类互耦补偿网络进行了宽带化和高效率的改进,并应用至16单元微带叠层贴片天线线阵。在0°~60°的扫描范围内,仿真的-10dB阻抗带宽为13.2%。测试结果表明该线阵在低频和高频端扫描至60°时的增益相比侧射时分别下降了1.2dB和2.4dB,实现了宽带宽角扫描。4.提出了一类新型的宽带天线,采用开放的金属背腔,利用微带馈线及其上方的寄生金属带线辐射能量,具有结构紧凑、馈电简单的优点。从利用互耦的角度出发,将该类天线单元相互连接从而构成一类基于连接背腔的新型阵列天线。H面相邻单元相互连接,互耦被有意加强。无限大阵列单元的仿真结果显示,在任意方位面扫描至±60°时,实现约43.4%(7.4GHz~11.5GHz)且VSWR≤2的阻抗带宽;扫描至±70°时,实现近44%(7.45GHz~11.65GHz)且VSWR≤2.5的阻抗带宽。2×18的有限大阵列的测试结果显示,当阵列扫描至H面60°时,VSWR≤2.3的阻抗带宽超过50%(7.2GHz~12.1GHz);扫描至70°时,VSWR≤3.2的阻抗带宽超过54%(7.2GHz~12.5GHz)。测试结果显示H面相邻单元馈电端口的耦合系数在大部分工作频率都高于-15dB,证明该阵列的宽带宽角扫描性能是基于对互耦的有效利用。5.在上述连接背腔阵列的研究基础上,我们对该类型阵列进行了拓展应用研究。首先,针对一些实际应用中要求大单元间距的需求,研究了三角形栅格分布阵列。所提出的等边三角形栅格阵列中的单元间距为14.5mm,相当于最高工作频率12GHz的0.58个波长。设计过程中,针对在H面和E面扫描至大角度时出现的盲区现象进行了分析和抑制。无限大阵列单元的仿真结果显示,在E面和H面扫描至±70°时,实现41.8%(7.85GHz~12GHz)且VSWR≤3的阻抗带宽。随后,针对雷达、通信系统中对双极化辐射的应用需求,在原先单极化单元的基础上加入一组正交极化单元设置以实现双极化辐射。双极化单元的仿真结果显示,在任意方位面扫描至±70°时,实现41.2%(7.7GHz~11.7GHz)且VSWR≤2.5的阻抗带宽。在工作带宽内,相邻正交极化端口间的耦合系数在E面和H面扫描时均小于-16.5dB,在D面扫描时小于-9.4dB。