随着通信技术的快速发展,通讯网络从2G到4G的过渡仅仅用了十几年的时间。如今,全球正在加速5G的进程,大规模的5G商用不久将实现。5G的一个重要趋势就是频段不断地向毫米波段延伸,由于毫米波段存在电磁损耗问题和传输过程中信号质量问题,5G天线的应用将目标集中在阵列研究,尤其是相控阵列,因为相控阵列可以凭借其扫描特性有效缓解信号多径效应引起的衰减。随着通信平台越发要求具备多功能性质,不同功能的工作频段又较为离散,为了降低成本,宽带天线也是随着通信的发展而越发被需要。综上所述,具有宽带性能的毫米波段相控阵将在5G天线开发中成为关注的热点。本文以紧耦合相控阵的宽带宽角扫描为目标,针对在毫米波段用平面结构实现紧耦合阵列的限制,设计了一种具有25GHz~65GHz宽带的宽角扫描紧耦合相控阵天线。主要研究内容和工作总结由以下三个部分组成:第一章主要讲述了毫米波天线和相控阵天线的发展进程以及目前国内外科研人员的相关研究现状;第二章主要讲述天线领域的基本理论知识,其中包括了三个方面:一是天线单元的基本指标,二是阵列天线中较为重要的两个理论:电磁波的干涉与叠加原理和方向图乘积原理,三是无限大电流片模型与紧耦合理论,这部分被着重讲述,因为这是紧耦合结构的原理基础。第三章先简单介绍集成了巴伦的紧耦合偶极子阵列TCDA(Tightly Coupled Dipole Array),随后提出了一种线极化的无限大紧耦合偶极子相控阵天线设计。由于紧耦合方案实现宽带的原理可以简单概括为利用阵列单元之间的电容耦合,因此不同于传统的相控阵设计流程:先设计单元再对单元进行组阵,同时减小单元间互耦。紧耦合方案是先利用周期边界条件模拟无限大阵列,再对无限大阵列做有限大处理。所以紧耦合阵列设计中的无限大阵列设计相当于传统相控阵设计中的单元设计。在周期边界下,所提出的无限大阵列通过改良偶极子馈电的结构克服了在毫米波段实现紧耦合偶极子扫描阵列的限制,通过馈电结构中电感和电容的添加,满足了紧耦合实现宽带性能的条件:其分支结构特性阻抗的大比值。除此之外,通过研究所提出结构的电流分布和电场分布,利用金属化通孔处理闭合金属环上的谐振电流来消除个别频点处出现的匹配恶化,解决了设计过程中出现的有源驻波尖峰问题。无限大阵列最终在VSWR<3的要求下,实现了25GHz~65GHz的带宽,同时实现E面H面均达到最大扫描角70°。第四章提出了一种解决紧耦合结构有限大阵列边缘截断效应的方案,将第三章中的无限大阵列制作成8×8有限大规模,并应用该方案大幅度改善有限大8×8阵列中边缘单元的失配问题。本章先通过分析紧耦合无限大阵列的单元边界,从而阐述了有限大紧耦合阵列的边缘截断效应。接着,结合第三章中的单元结构,分析有限大阵列分别在不扫描,E面截断扫描,H面截断扫描三种情况下的边缘截断效应。对比得出结论:E面截断情况在大角度扫描的时候边缘截断效应最为显著。最后,通过使最边缘单元的馈电相位在大角度扫描时与相邻的单元馈电相位一致替代正常的馈电相位递进,改善了原先由于边界效应而导致的较多单元VSWR不达标的情况。最终8×8的阵列规模下保持了25GHz~65GHz的带宽,E面H面最大扫描角为70°。