《IEEE Journal of Microwaves》：High-Resolution and Broadband Aperiodic Time-Modulated Arrays for Multi-Beam Applications
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为了应对传统阵列在宽带、高分辨率及多波束同步生成方面的挑战，研究人员开展了针对非周期时调制阵列的研究。该研究提出了一种概率设计方法，利用非周期间距结合开-关RF开关，实现了大孔径、无栅瓣的宽带工作特性，并能通过开关时序独立控制阵列因子，最终构建出可同时生成多波束的可重构阵列系统，为下一代通信与感知系统提供了新的天线解决方案。
在现代无线通信、雷达和传感系统中，天线阵列扮演着核心角色。人们总是希望天线能“看得更清”（高分辨率）、“听得更广”（宽带），并且能同时与多个目标“对话”（多波束）。然而，传统的相控阵天线在这方面面临着一些难以调和的矛盾。例如，为了实现高分辨率，需要扩大阵列的物理尺寸或增加阵元数量，但这通常会导致成本飙升，并且阵元间距过密会引发严重的互耦效应，降低性能。更重要的是，当信号频率在一个较宽的频带内变化时，固定的周期性阵元排列会产生令人头疼的“栅瓣”——这些多余的、不想要的波束方向会干扰主信号，甚至造成信息泄露和安全风险。此外，如何让一副天线同时、独立地生成并控制多个波束，也是一个极具挑战性的课题。正是为了解决这些在宽带、高分辨率及多波束应用中的关键瓶颈，研究人员将目光投向了时变阵列这一前沿领域，并试图突破传统周期性设计的限制。
这项发表于《IEEE Journal of Microwaves》的研究，提出了一种创新的非周期时调制阵列设计方法。与常规思路不同，它不再拘泥于阵元等间距排列的经典范式，而是引入了一种概率性的非周期排布。同时，它继承了传统时变阵列的核心部件——射频开关，通过精确控制这些开关的“开”与“关”的时序，来实现对辐射波束的灵活塑造。这种将“空间非周期”与“时间调制”相结合的思路，巧妙地绕开了多个传统难题，为下一代高性能、可重构的阵列系统开辟了一条新路径。
为开展此项研究，作者主要运用了几个关键技术方法：首先是非周期阵列综合方法，用于确定阵元在空间中的非均匀排布位置，其核心目标是最大化带宽同时抑制栅瓣；其次是时变阵列理论建模与分析，建立了包含开关时序控制的阵列因子数学模型，以分析并优化多波束的生成与控制；再次是开关网络的设计与模拟，针对所采用的RF开关及其on-off时序（对应于不同的占空比）进行电路级仿真，以评估其对辐射性能的影响；最后是全波电磁仿真验证，通过专业的仿真软件对设计的阵列结构进行建模，计算其辐射方向图、带宽等关键性能指标，以验证理论设计的正确性。
研究结果
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非周期间距与宽带无栅瓣特性
研究表明，通过采用非周期间距排布阵元，阵列可以在电尺寸（即相对于波长的尺寸）非常大的情况下工作，而不会产生栅瓣。这意味着阵列的孔径可以做得“电大”，从而获得高分辨率，同时这种特性对载波频率在一个宽频带内的变化不敏感，实现了宽带操作。其根本原因在于非周期布局打破了阵列结构的空间周期性，从而消除了栅瓣产生的必要条件。
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大间距与互耦抑制
由于阵元间距可以设置得很大（以波长为单位），阵元之间的电磁相互作用——即互耦效应——被显著降低。互耦的减弱有利于提高阵列的辐射效率、改善阻抗匹配，并使得基于理想点源模型的理论分析更贴近实际性能。
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阵列因子的独立控制
研究建立的数学模型清晰表明，该非周期时调制阵列的阵列因子可以通过两个维度独立且同步地进行控制：一是开关时序（时间维度），通过调整每个RF开关的开启和关闭时间序列（占空比）；二是阵元位置（空间维度），即每个阵元在非周期布局中的具体坐标。这种双自由度控制为实现复杂的波束赋形和多波束生成提供了基础。
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可重构辐射方向图
得益于RF开关的引入，阵列的辐射方向图具备了高度的可重构性。研究中指出，相对简单地改变开关的占空比设置，就能较为容易地改变辐射方向图的形状。这使得一副固定的物理阵列能够动态适应不同的通信场景或任务需求。
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同步多波束生成能力
提出的概率性设计方法和相应的数学建模，最终使阵列能够生成多个同时存在的波束。这是该研究旨在解决的核心应用问题之一，验证了所提方案在实现同步多波束方面的可行性和有效性。
结论与讨论
本研究成功提出并论证了一种面向同步多波束应用的高分辨率、宽带非周期时调制阵列。其核心结论在于，通过融合非周期的空间排布与精确的时间开关调制，可以协同解决高分辨率、宽带工作与栅瓣抑制之间的矛盾，同时大幅降低阵元间互耦的影响。这种设计使得阵列能够在宽频带内保持“电大”孔径而不产生栅瓣，并通过调整开关占空比灵活重构波束方向图，最终实现多个波束的同步生成与独立控制。
该研究的重要意义在于它提供了一种超越传统阵列设计范式的系统性解决方案。它不仅为学术上探索时变阵列的极限性能提供了新的理论框架和设计工具，更具有明确的工程应用价值。所提出的阵列架构有望应用于未来要求苛刻的通信系统（如6G）、多功能雷达、电子对抗以及卫星通信等领域，在这些场景中，对天线系统的带宽、分辨率、多目标处理能力及可重构性都有着极高的要求。这项工作表明，通过巧妙的时-空协同设计，可以在不显著增加硬件复杂度和成本的前提下，大幅提升阵列系统的综合性能，为下一代无线技术的发展奠定了重要的天线基础。
