相控阵天线,因其迅捷灵敏的电扫描特性与灵活的波束赋形优点,在现代军事和商用通信领域中备受青睐。相比于机械式扫描阵,相控阵具备可靠性高、抗干扰能力强、多目标追踪、模式灵活和多任务并行等优势。随着信息科学与无线电技术的飞速发展,现代雷达、导航和星载通讯系统中的相控阵天线不断向宽空域覆盖、快速反应、多功能应用等方向演进,在应对上述挑战的同时往往要兼顾低成本、低剖面和大规模集成等要求。因此,平面宽角扫描相控阵天线应运而生。设计高性能的平面宽角扫描阵列,应当格外关注阵中的电磁耦合效应。受互耦影响,平面宽角扫描阵列通常面临着有源阻抗随波束切换而显著变化的问题,从而导致扫描过程中有源驻波比恶化、实际增益衰落甚至扫描盲区等负面问题。为应对上述挑战,本学位论文以一维、二维宽角扫描阵列为载体,对宽角阻抗匹配理论与关键技术展开深入研究。本论文的研究内容可概括为如下三部分:第一部分,深入研究一维阵列的超宽角扫描与宽角阻抗匹配方法,该部分的创新与贡献可总结为以下两方面:指出一维阵列的超宽角扫描潜力,明晰阵元间互耦对电扫描性能的影响,衍生出将阵元波束展宽与耦合抑制相融合的超宽角扫描思路。基于该思路,提出将微带贴片的空间辐射与表面波的边缘衍射效应相联合以拓展孤立阵元的半功率波束宽度,并提出调控阵元天线的近场分布以实现耦合抑制。在阵元天线中,构建了电抗性表面以引导表面波传输,设计了特殊的缝隙结构作为表面波激励源;将以上两者与微带辐射贴片融合,实现了超宽波束阵元设计。构建周期阵列后,通过调整有源单元的近场分布实现对表面波耦合的抑制,最终实现超宽角扫描与宽角阻抗匹配设计,印证了耦合抑制与超宽角扫描协同设计的可行性。在宽频带内同步实现一维阵列耦合补偿与超宽角扫描设计。在阵元天线设计中,将基片集成波导与微带贴片巧妙结合以激励多频谐振效应,并提出蚀刻多组缝隙以拓展工作带宽。利用该宽带阵元构建一维超宽角扫描阵列。基于互耦叠加效应分析,波导表面的多组对称缝隙可有效促进阵中远场耦合、表面波耦合的“自补偿”效应。在靠近辐射缝隙处加载周期性亚波长结构,可进一步补偿近场耦合造成的有源阻抗变化。最终实现了宽带超宽角扫描与宽角阻抗匹配设计。第二部分,深入研究二维平面阵列的宽角扫描与宽角阻抗匹配方法。该部分的创新与贡献可概括为如下两方面:指出当孤立阵元被赋予余弦形式的方向图且兼顾耦合抑制时可获得高性能波束扫描与宽角阻抗匹配,并提出基于共模耦合抵消的解耦合方法。为实现孤立阵元的方向图赋形,在低剖面基片集成腔上蚀刻了一组对称缝隙,并设计了封装于腔内的电抗性馈电网络以实现双缝隙的等幅、同相激励,优化缝隙间距即可获得近似余弦式的孤立阵元方向图;通过对阵中差模与共模耦合效应的严格分析,提出加载介质基片和谐振式陷波结构的共模耦合对消技术,实现了宽角阻抗匹配。提出阵元方向图赋形与宽带耦合抑制相融合的设计。阵列单元天线以低剖面基片集成腔为基础,在腔体表面蚀刻若干哑铃状缝隙作为辐射源,并在其上方加载了色散超表面;在基片集成腔内嵌入了电抗性馈电网络以激励缝隙的等幅、同相辐射。得益于超表面的色散效应,孤立阵元天线不仅体现宽带辐射特性,且在E面、D面内形成了近似余弦式的方向图。被耦合阵元的馈电网络中同时存在奇模与偶模耦合效应;其中,偶模耦合是造成有源失配的关键。在缝隙上方加载色散超表面,可恰好促进偶模耦合的反相对消,最终实现了宽带宽角阻抗匹配。第三部分,二维宽带双极化阵列天线的宽角扫描与宽角阻抗匹配方法研究。该部分的创新与贡献可归纳为如下两方面:提出基于表面波模式调控的宽角阻抗匹配技术。所提出的阵元天线采用圆柱形基片集成波导将两组相对独立的馈电网络封装,且在基片集成波导表面设计交叉缝隙作为耦合激励孔径。缝隙上方依次堆叠圆柱金属空腔、圆形微带贴片以及弧形寄生条带。由于阵元天线具备圆柱形轮廓,故构建周期三角栅格阵列。基于阵面结构色散效应分析,指出该阵列存在支持TM模式表面波的可能性,并利用Floquet模式法分析表面波特征。优化阵列栅格并在阵中引入周期性寄生金属空腔以改变表面波传播常数,最终将表面波模式移出可见区,实现了宽角阻抗匹配。对于宽带双极化阵列天线,利用超表面宽角匹配层实现共轭有源匹配设计。改进前述双极化阵列天线的构架,在阵元上方悬置超表面宽角匹配层。建立等效电路模型,分析加载宽角阻抗匹配层时的宽带拓展优势,并基于Floquet模式法论证宽角匹配层可引入随波束扫描角变化的等效并联电纳,可有效补偿阵面Floquet阻抗随波束偏转而产生的变化,进而实现宽带宽角阻抗匹配。