CN104269648A - 一种数字式可重构雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数字式可重构雷达天线。该雷达天线采用空间馈电方式，由馈源喇叭和数字式人工反射面组成。馈源喇叭远离反射面放置，在分析和设计过程中，馈源用平面波模拟。反射面由周期排布的人工单元结构组成，每个人工单元集成4个开关二极管。每个人工单元由单独的直流偏置所控制，从而动态呈现两种反射相位，即当二极管全导通时，反射相位为0；当二极管全截止时，反射相位为π。将反射相位为0的一类单元记为“0”，反射相位为π的一类单元记为“1”，通过编程控制每个单元的直流偏置，使整个反射表面上“0”和“1”的分布可以实现实时数字编程控制，进而实现可重构的雷达天线。利用本发明构建不同的编码，可以实现更多其它的功能。

Description

一种数字式可重构雷达天线

技术领域

本发明属于新型人工电磁媒质以及雷达天线领域，具体涉及一种数字式可重构雷达天线。

背景技术

雷达是利用目标对电磁波的反射（或者成为二次散射）现象来发现并测定目标位置的设备。雷达天线是雷达设备中用来辐射和接收电磁波的器件，在雷达测量目标位置的三个坐标（方位、仰角和距离）中，有两个坐标（方位和仰角）的测量与雷达天线的性能有关，因此雷达天线在雷达设备中占有极其重要的地位。按照天线扫描的方式，可将雷达天线分为机械扫描天线、电子扫描天线和机电扫描天线。当今主流的相控阵雷达天线中即采用了电子扫描方式，在这种天线中每个雷达天线单元连接一个移相器，移相器和天线工作于同一个频段，通过控制每个移相器，可以控制每个雷达天线单元的辐射相位，从而控制天线波束的指向。

新型人工电磁媒质通常由周期或准周期排布的亚波长人工单元结构所组成，利用这种人工媒质，人们可以控制甚至设计电磁波的行为，这种能力使得新型人工电磁媒质在过去的十几年中吸引了来自各界的广泛关注。数字式可编程人工电磁媒质由发明人所在课题组首次提出，与媒质参数梯度变化的人工电磁媒质相比，数字式可编程人工电磁媒质的组成仅需两种媒质参数值，简化了媒质的构造过程，避免了在理论上存在而实际中无法实现的媒质参数，并且媒质参数可以由数字电路实时控制。

本项目基于数字式可编程人工电磁媒质，提出了一种数字式可重构雷达天线，这种天线采用空间馈电方式，由馈源喇叭和数字式可编程人工反射面所构成。数字式可编程人工表面提供了对雷达天线波束形状和扫描方向的实时控制。相对于传统相控阵雷达天线，本发明省略了每个单元在射频段的移相处理，天线的辐射特性可以直接由数字电路实时控制，具有功能可重构，设计简单，应用灵活，易于加工和成本低廉等优点，在雷达天线的军事和商业应用中都有重要的前景。 

发明内容

技术问题： 本发明的目的是提供一种数字式可重构雷达天线，实现雷达天线的功能可重构和波束的电子扫描。

技术方案:  本发明的一种数字式可重构雷达天线采用空间馈电方式，由馈源喇叭和数字式可编程人工反射面两部分构成，所述馈源喇叭远离数字式可编程人工反射面放置，距离满足远场条件，来近似平面波照射；所述数字式可编程人工反射面由周期排布的人工单元结构组成；通过控制数字式可编程人工反射面上不同的“0”和“1”分布实现多种功能的雷达天线。

所述的人工单元结构为：单元结构共三层，顶层由中间金属片和四片旁置金属片构成，中间层为金属接地层，底层为直流馈电层；每个人工单元集成4个开关二极管，4个开关二极管的一端分别对应与顶层的四片旁置金属片相连，另一端与中间金属片相连，整个单元结构在水平面内90度旋转对称；每个单元由数字控制电路单独提供偏置电压，从而可以动态呈现两种反射相位，即当二极管全导通时，反射相位为0；当二极管全截止时，反射相位为π。

所述的反射相位为0的一类单元记为“0”，反射相位为π的一类单元记为 “1”，通过编程控制每个单元的直流偏置，整个反射表面上的 “0” 和 “1” 的分布利用数字编程的方式实时控制，从而实现可重构的雷达天线。

有益效果： 相对于传统相控阵雷达天线，本发明省略了每个单元在射频段的移相处理，天线的辐射特性可以直接由数字电路实时控制，具有功能可重构，设计简单，应用灵活，易于加工和成本低廉等优点，在雷达天线的军事和商业应用中都有重要的前景。 

附图说明

图1给出了数字式人工反射表面的实物图；

图2给出了其理论模型示意图；

图3给出了人工单元的结构示意图，其中（a）为单元结构的顶视图，（b）为单元结构

的侧视图，（c）为单元结构的斜视图；其中有：顶层a，中间金属片P0，四片旁置金属片P1、P2、P3、P4，中间层M，底层B，开关二极管D1、D2、D3、D4，旁置金属片P1、P2、P3、P4，中间金属片P0；

   图4给出了人工单元结构的相位曲线，虚线表示二极管导通，实线表示二极管截止；

图5中，(a)给出了在网格的编码方式为000000…/000000…时，人工表面的散射场图， (b)给出了当网格的编码方式为010101…/010101…时，人工表面的散射场图， (c)给出了当网格编码方式为010101…/101010…时，人工表面的散射场图；

图6中，（a）给出了当编码方式为010101…/010101…，且D=69mm时，人工表面的三维散射场图，（b）显示了对应的极坐标下场图；

图7中，（a）给出了当编码方式为010101…/010101…，且D=41.4mm时，人工表面的三维散射场图，（b）显示了对应的极坐标下场图；

图8中，（a）给出了当编码方式为010101…/010101…，且D=20.7mm时，人工表面的三维散射场图，（b）显示了对应的极坐标下场图。

具体实施方式

本发明中，采用空间馈电方式，由馈源喇叭和数字式可编程人工反射面两部分构成，所述馈源喇叭远离数字式可编程人工反射面放置，距离满足远场条件，来近似平面波照射；所述数字式可编程人工反射面由周期排布的人工单元结构组成；通过控制数字式可编程人工反射面上不同的“0”和“1”分布实现多种功能的雷达天线。数字式可编程超表面中的人工单元结构集成了四个开关二极管，当二极管全导通时，单元结构的反射相位为0，记此类单元为“0”， 当二极管全截止时，单元结构的反射相位为π，记此类单元为“1”。数字控制单元提供每个人工单元结构的偏置电压，不同的偏置电压使相应单元结构可以在“0”和“1”间实时切换，从而实现人工表面反射相位的可编程控制，利用不同的反射相位分布（即“0”和“1”的分布），可以实现不同的电磁功能。下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1给出了数字式人工反射表面的实物图，图2给出了其理论模型示意图，整个反射表面由多个矩形网格组成，φ(m,n) 表示每个网格的反射相位，其值为0或者π。将反射相位为0的一类单元记为“0”，反射相位为π的一类单元记为 “1”。在平面波垂直入射下，散射场的方向图函数可以表示为：

（1）

其中， θ和φ 是俯仰角和方位角， f _e (θ, φ) 是单个网格的方向图函数。m和n代表每个网格在平面内的位置。利用此等式可以得到，当网格的编码方式为000000…/000000…时，散射场主瓣的俯仰角θ=0；当网格的编码方式为010101…/010101…时，散射场有两个主瓣：φ=90° 或270°， ；当网格的编码方式为010101…/101010…时，散射场有四个主瓣：φ=45°、135°、225° 或 315°，。

由此，我们通过不同的反射相位的编码实现的波束分裂。注意到主瓣的俯仰角与网格的边长有关，这意味着通过改变网格边长的值可以实现波束在俯仰角的扫描。

图3给出了人工单元的结构示意图，单元结构共三层，顶层由中间金属片和四片旁置金属构成；中间层为金属接地层，其中心有一个圆孔；底层为直流馈电层。顶层的中间金属片由过孔与底层直流馈电层连接，过孔的直径小于中间层的圆孔，避免直流馈电时短路；四片旁置金属由金属通孔与中间接地层相连。

图4给出了人工单元结构的相位曲线，在8.14GHz时，二极管导通和截止两种状态下的反射相位相差180度。完成单元结构的设计后，即可以通过单元结构的不同编码分布实现不同的功能。下面通过全波仿真验证这种数字调控方式。

图5(a)给出了在网格的编码方式为000000…/000000…时，人工表面的散射场图，可以看到仅有的主瓣在θ=0的方向，与分析的结果一致。图5(b)给出了当网格的编码方式为010101…/010101…时，人工表面的散射场图，可以看到两个明显的主瓣，而在图5(c)中，当编码方式为010101…/101010…时，则可以看到四个主瓣。全波仿真结果与理论分析一致，表明这种可重构雷达天线可以方便的实现波束分离的功能。

前面分析过，通过改变人工表面上单元结构的边长，可以实现波束的扫描。下面通过全波仿真进一步验证这种数字控制方式。

图6（a）给出了当编码方式为010101…/010101…，且D=69mm时，人工表面的三维散射场图，图6（b）显示了对应的极坐标下场图。两个主瓣的俯仰角为15度，与理论结果15.7度非常吻合。

图7（a）给出了当编码方式为010101…/010101…，且D=41.4mm时，人工表面的三维散射场图，图7（b）显示了对应的极坐标下场图。两个主瓣的俯仰角为27.5度，与理论结果26.9度非常吻合。

图8（a）给出了当编码方式为010101…/010101…，且D=20.7mm时，人工表面的三维散射场图，图8（b）显示了对应的极坐标下场图。两个主瓣的俯仰角为64度，与理论结果64.9度非常吻合。

综上所述，本发明提供了一种数字式可重构雷达天线，可以实现雷达天线的功能可重构和波束的电子扫描。并且具有功能可重构，设计简单，应用灵活，易于加工和成本低廉等优点，在雷达天线的军事和商业应用中都有重要的前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

作为应用实例，本发明仅介绍了该雷达天线的波束分离和波束扫描的功能。利用本发明构建不同的编码，可以实现更多其它的功能，比如RCS缩减，波束赋形等，这些也应视为在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种数字式可重构雷达天线，其特征在于采用空间馈电方式，由馈源喇叭和数字式可编程人工反射面两部分构成，所述馈源喇叭远离数字式可编程人工反射面放置，距离满足远场条件，来近似平面波照射；所述数字式可编程人工反射面由周期排布的人工单元结构组成；通过控制数字式可编程人工反射面上不同的“0”和“1”分布实现多种功能的雷达天线。

2.根据权利要求1所述的数字式可重构雷达天线，其特征在于，所述的人工单元结构为：单元结构共三层，顶层（a）由中间金属片（P0）和四片旁置金属片（P1、P2、P3、P4）构成，中间层（M）为金属接地层，底层（B）为直流馈电层；每个人工单元集成4个开关二极管（D1、D2、D3、D4），4个开关二极管的一端分别对应与顶层的四片旁置金属片（P1、P2、P3、P4）相连，另一端与中间金属片（P0）相连，整个单元结构在水平面内90度旋转对称；每个单元由数字控制电路单独提供偏置电压，从而可以动态呈现两种反射相位，即当二极管全导通时，反射相位为0；当二极管全截止时，反射相位为π。

3.根据权利要求1所述的数字式可重构雷达天线，其特征在于，所述的反射相位为0的一类单元记为“0”，反射相位为π的一类单元记为 “1”，通过编程控制每个单元的直流偏置，整个反射表面上的 “0” 和 “1” 的分布利用数字编程的方式实时控制，从而实现可重构的雷达天线。