图17. 所有移相器的反射系数。

图18. 插入弯曲SIW中的移相器的扫描性能。

（二）使用金属机翼增强增益

接下来将研究如何提高前一节中提出的CSIW扫描阵列的增益。如图19所示，在上述阵列配置的两侧增加两个金属机翼。目标是增加阵列在横切平面上的有效口径，从而缩小该平面上的波束，同时增加阵列的增益。图20展示了阵列的几何形状，其中在阵列的两端分别增加了两个机翼，以进一步提高性能。表2提供了带翼阵列设计的相关尺寸，以及该阵列实现的增益增强的结果。

图19. 带有两个金属材质机翼的CSIW。

图20. 带有4个金属机翼的CSIW。（a）透视图；（b）俯视图。

表2　在26 GHz下增益的变化

 使用倾斜面板进行宽角波束扫描

（一）横向平面上的波束扫描

在第2节中，介绍了一些基于SIW的阵列设计，其中采用可切换的移相器，可以控制阵列主波束在纵向平面上的倾斜角度。本节将研究在横平面上扫描波束的方法。随后提出一个新的方案来实现这一目标。在图21所示的方案中，可以通过改变面板的角度来扫描波束。此外，通过倾斜面板来改变主瓣的方向。图22展示了该方案在26 GHz的工作频率下的扫描性能。由此观察到，在几乎没有方向图劣变或扫描损失的情况下，可以实现超过120°的扫描范围。作为所提方案的基础，虽然波束扫描的原理相对简单，但真正的挑战在于要设计一个面板，使其倾斜角度可以通过电子方式而非机械方式改变，从而达到理想的波束扫描速度，并且这个速度应该以毫秒甚至微秒计，而不是秒。目前，人们正在研究几种不同的方案，包括可重构的超表面和可重构的反射阵列。对于可接受相对较慢切换速度的应用，使用液态金属是一个有吸引力的替代方案。

图21. 使用一个倾斜面板进行的2D波束扫描。

图22. 使用面板倾斜度来扫描横向平面上的性能。

（二）纵向平面上的波束扫描

对于纵向扫描，之前讨论过带移相器的弯曲SIW，其由电子开关通道组成。为了在横向平面上进行扫描，可以使用位于阵列上方的可重构倾斜面板，如图21所示。同样也可以使用类似甚至是相同的面板在纵向平面上进行扫描，如图23所示；尽管灵活性不如插入在SIW导轨中的移相器所提供的灵活性。

图23. 具有两个金属机翼和一个倾斜面板的弯曲SIW阵列天线的侧视图。

 使用开槽安装平台的开槽波导阵列的增益增强方法

（一）带凹槽金属翼结构的改进的开槽波导天线阵列（SWAA）

本节提出了一种通过修改安装阵列的平台来提高SWAA增益的新技术。该技术基于一份最近发表的文献，其中作者首先设计了一个传统的开槽波导，然后在阵列的两侧添加凹槽结构，以扩大阵列的有效辐射孔径，从而提高增益。

接下来，探讨了将增益进一步提高到30 dB水平的可能性，这在这类天线阵列的某些应用（如基站天线元件）中是可取的。将凹槽的数量从27个增加到41个，如图24所示，并将阵列的长度延长124 mm，以适应槽数的增加。虽然这种修改将增益提高到29 dB的水平（图25），但并没有完全达到30 dB的增益目标。

图24. 一个带有金属凹槽结构的SWAA原型。

图25. 带有凹槽的扩展SWAA在26 GHz的方向图。（a）H平面；（b）E平面。

为了进一步提高增益，下一步通过折叠原始阵列两侧的扩展部分来修改图24中阵列的几何形状，如图26所示。这种修改不仅将天线的面积减少为原来的1/2，而且还将增益提高到30 dB的预期目标，如图27的方向图所示。

图26. 拥有金属凹槽结构和机翼的改进SWAA。

图27. 改进的凹槽SWAA在26 GHz下的方向图。（a）H平面；（b）E平面。这里E平面和H平面是线性极化天线的参考平面。

表3总结了原始SWAA和两个修改版本的尺寸和性能特征，即增益和SLL。

表3　在26 GHz下增益的变化

（二）使用倾斜的面板对带凹槽的开槽波导天线阵列进行波束扫描

最后，转向前一节中描述的设计阵列的扫描问题。与第3节中描述的弯曲SIW阵列的情况相比，再次选择倾斜面板的方法进行扫描（如第4节所述），而不是使用复杂、有损耗且难以在辐射元件之间插入的移相器。如前所述，根据所期望的扫描速度，可以通过使用可重构的超表面或液态金属来制造这些面板。扫描阵列的几何形状如图28所示，面板的倾斜角度的方向图如图29所示。方向图表明，可以实现一个广泛的扫描范围，且几乎没有方向图劣变或扫描损失。此外，面板角度的变化对阻抗匹配没有显著影响。倾斜角度可以机械地改变或通过使用包含加载变容二极管的超表面的可重构面板来改变。

图28. 一个拥有机翼和一个用来扫描的倾斜面板的改进凹槽SWAA。

图29. 具有倾斜面板的改进凹槽SWAA在26 GHz下的方向图。（a）H平面；（b）E平面。

 结论

本文综述了用于固定波束和扫描应用的几种不同的阵列天线设计。简要讨论了一些传统的阵列设计，与其他高增益天线（如反射面、反射阵列以及传统或平面梯度折射率透镜）相比，这些阵列可以实现的剖面相对较低。接下来，描述了一些新的设计概念，这些概念不使用既有损耗又昂贵的传统移相器，也能提供波束扫描能力。本文提出的方法是用插入在阵列元件之间的可切换通道取代传统的铁氧体型移相器，或者使用可重构的超表面面板进行扫描，并且这些方法几乎没有扫描损失。本文还提出了一种龙勃透镜设计，其中包括用于2D扫描的一种包含微带贴片天线的阵列馈电，其扫描性能普遍优于现有的相控阵设计，但该设计需要一种具有可切换元件的阵列馈电类型来扫描波束。

最后，5G应用中高增益、低剖面、极化多样、固定波束和扫描天线的设计是一个非常活跃的研发领域，希望本文能够引起研究人员对这一领域产生更深的兴趣，以应对已经确定的挑战。