CN105655723B - 一种用于相控阵天线的rcs缩减方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波天线阵列设计领域，特别涉及一种用于相控阵天线的RCS缩减方法。本发明方法主要包括：设相控阵天线包括N个阵元，则相应具有N个馈电点，将所述的N个馈电点以矩形栅格状规则排布；然后分别将每一个阵元绕其本身的馈电点随机旋转一个角度。本发明的有益效果为，可以在基本不损失阵列辐射性能的情况下大幅缩减阵列RCS；只需阵元随机旋转就可以实现RCS缩减，与传统的采用结构赋形、加载天线罩等措施相比，更容易设计、更容易实现、更易加工、成本更低；同时阵元旋转是绕馈电点旋转，阵元虽不规则却保留了馈电点的规则排列结构，因而基本不会增加加工难度和成本，也方便了阵列天线与后端T/R组件的连接，符合相控阵应用。

Description

一种用于相控阵天线的RCS缩减方法
技术领域
本发明涉及微波天线阵列设计领域，特别涉及一种用于相控阵天线的RCS缩减方法。
背景技术
相控阵天线是现代飞行器的关键部件之一。一部高性能的相控阵天线，不仅要求有较高的辐射特性，还要求有较低的RCS(Radar Cross-Section,雷达散射截面)特性。目前，已有多种方法可以对相控阵天线工作频带外的RCS进行缩减，而带内缩减(即在保证工作频带内天线辐射性能前提下的RCS缩减)的理论和技术则相对匮乏。
近年来，各国都已将飞行载体的电磁隐身性能作为其最主要性能指标之一。一部好的飞行器，不仅要求具有灵活的机动特性，还应当有较强的隐身特性。目前，基于整形技术和吸波材料技术的载体隐身已取得了长足进步并得到广泛应用，飞行载体自身的散射特性已经能控制得很好，不再是散射的主要来源。然而，一部飞行器上往往要安装多部天线，天线作为有源目标，自身工作时必须保证能正常收发电磁波，不能被遮挡或覆盖，常规的隐身措施(如整形技术、吸波材料技术等)无法简单的在天线隐身中直接应用。若天线暴露在敌方雷达波的照射下，会产生很强的反射回波。因此，作为隐身平台必不可少的射频传感器前端，天线已经成其最重要散射源。
以往人们对天线的RCS缩减研究主要集中在单元天线领域，提出了许多的方法，但对相控阵天线的RCS缩减尚未形成系统的研究。目前缩减单元天线RCS的办法大致有：1、采用分时工作，即仅在天线工作时开机，天线不工作时将其隐藏；2、利用吸波材料吸收入射波能量，从而减小散射能量；3、将天线倾斜放置，使其散射峰值偏离主要观察方向；4、通过改变天线的外形和匹配来降低RCS；5、使用一些新的人工材料做天线罩(如电磁带隙结构EBG、频率选择表面FSS和相位切换屏幕PSS)等。单元天线的RCS缩减技术理论上也适用于阵列天线，不过由于阵列天线体积较大、结构复杂，许多技术实现成本较高或无法实际应用。此外，通过调整阵元布局来实现阵列天线的RCS缩减也是近年来兴起的一种新方法。但由于天线的辐射性能和散射性能往往是一对矛盾体，因此在追求天线的散射性能时，还需要综合考虑天线的辐射性能。然而，目前关于如何在阵列的辐射和散射性能之间取折中，如何将各种RCS控制技术相融合等问题的报道极为有限。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种相控阵天线带内RCS缩减技术。
本发明的技术方案为：一种用于相控阵天线的RCS缩减方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.设相控阵天线包括N个阵元，则相应具有N个馈电点，将所述的N个馈电点以矩形栅格状规则排布；
b.分别将每一个阵元绕其本身的馈电点随机旋转一个角度。
本发明总的技术方案，主要为通过阵元随机旋转的方法实现相控阵天线带内RCS缩减。利用阵元随机旋转产生随机散射相位，使得不同阵元的散射场无法在一个主瓣区域内同相叠加，而是会分散到更广的角度域空间，从而降低阵列天线的RCS。同时，对于辐射情形，通过阵元激励的相位补偿仍可使不同阵元的辐射场在主瓣区域内实现同相叠加，从而基本不会导致阵列天线的辐射性能下降。此外，采用了绕馈电点旋转的随机旋转方法，可以保证馈电点的规则排布，降低了阵列天线的安装难度和加工成本。
进一步的，步骤a中，所述N个馈电点构成的矩形栅格中，水平方向上相邻2个馈电点之间的间距为dx，垂直方向上相邻2个馈电点之间的间距为dy。
更进一步的，步骤b的具体方法为：
b1.将N个阵元随机均分为两组，每组包括N/2个阵元，将第一组阵元中的每个阵元分别做随机旋转，第二组阵元中的阵元与第一组中的阵元一一对应，且对应关系为，设第一组阵元中的一个阵元旋转角度为φ，则第二组中与之对应的阵元的旋转角度为180°+φ。
本发明的有益效果为，可以在基本不损失阵列辐射性能的情况下大幅缩减阵列RCS；只需阵元随机旋转就可以实现RCS缩减，与传统的采用结构赋形、加载天线罩等措施相比，更容易设计、更容易实现、更易加工、成本更低；同时阵元旋转是绕馈电点旋转，阵元虽不规则却保留了馈电点的规则排列结构，因而基本不会增加加工难度和成本，也方便了阵列天线与后端T/R组件的连接，符合相控阵应用。
附图说明
图1是本发明的相控阵天线结构示意图；
图2是本发明的相控阵天线阵元结构示意图；
图3是传统规则排天线的阵列示意图；
图4是传统四元一组排列天线的阵列示意图；
图5是本发明的随机旋转天线阵列示意图；
图6是图3-5所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其中，扫描角(θ0＝0°,)；
图7是图3-5所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其中，扫描角(θ0＝45°,)；
图8是图3-5所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其中，扫描角(θ0＝45°,)；
图9是图3-5所示天线的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度(θ0＝0°,)；
图10是图3-5所示天线的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度(θ0＝45°,)；
图11是图3-5所示天线的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度(θ0＝60°,)；
图12是图3-5所示天线的单站RCS性能仿真结果示意图；其中，方位面
图13是图3-5所示天线的单站RCS性能仿真结果示意图；其中，方位面
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述
如图1，图2所示，以圆极化微带天线为例，其天线阵列1由N个圆极化微带天线单元2组成，其中N是阵元个数，当然，不限定于图1所示的8x8个阵元，所述的微带天线单元2的馈电点3以矩形栅格状规则排布，所述的馈电点3在x和y方向上的间距分别dx和dy，所述的微带天线单元2绕馈电点3随机旋转一个角度φ。
进一步的是，所述的随机旋转是成对的，具体的，将阵元随机均分成两组，每组有N/2个阵元，对第一组阵元中的每个阵元做随机旋转，而第二组阵元中任一阵元的旋转角都与第一组阵元中某一阵元的旋转角相差180度，即对于整个阵列而言，如果有一个旋转φ角的阵元必然有另一个旋转180°+φ的阵元。
本发明提供的基于阵元随机旋转的天线阵列1的辐射场计算如下：
其中k0是波数，N是阵元个数，且θ和分别为球坐标系下的俯仰角和方位角；xn和yn是第n个阵元的相位中心坐标；是第n个阵元的单元方向图，且
其中是阵元激励幅度，是阵元的激励相位，φn是阵元的旋转角。当希望阵列最大增益指向时，只需将阵元激励相位设置为
其中
本发明提供的基于阵元随机旋转的天线阵列1的双站散射场计算如下：
其中代表第n个阵元的双站散射场方向图，且
与辐射不同，阵列天线的散射在平面波照射下被激励起来的，阵元没有相位补偿。因此，阵列天线的散射场能量将不会在主瓣区域内同相叠加，而是趋向于更均匀地分散在整个三维空间。
本发明提供的基于阵元随机旋转的天线阵列1的单站散射场计算如下：
其中代表第n个阵元的单站散射场方向图，且
与双站情形类似，单站散射能量也会趋向于分散到更广的角度域空间。
为了更好地说明本发明技术的效果，本发明还选取了另外两种已有的常规形式阵列(规则阵列和四元一组旋转阵列)与随机旋转阵列进行了性能对比；依次为规则阵列(图3)，四元一组旋转阵列(图4)和随机旋转阵列(图5)。对三种不同形式的阵列进行了全波仿真。仿真软件为商用三维电磁仿真软件FEKO。
图6-图8给出了三种阵列不同扫描角下的辐射性能对比，随机阵列的增益方向图与另两种常规阵列基本一致，最大增益损失小于0.5dB。图9-图11给出了三种阵列在不同角度的入射波照射下的双站RCS方向图，可以看到规则阵列总是在入射波角度方向上有很高的散射电平，这是因为规则阵列的阵元散射场在入射波角度方向是同相的；相比较于规则阵列，四元一组旋转阵列在入射波角度方向附近的散射电平大大降低，但它在其他角度却会形成较高散射栅瓣，例如在图6中，入射波从法向照射时，四元一组阵列在正负60度方向上形成了较高的散射栅瓣，求其原因，四元一组旋转阵列的阵元散射场相位还是有一定的周期性，因此仍会在空间某一角度上同相叠加；与前两种常规阵列相比，本发明设计的随机旋转阵列在整个角度域内都保持了较低的较平滑的散射电平，因为阵元的随机旋转使得阵元的散射场相位各不相同，没有周期性，不会在空间同相叠加，结果就会使整个阵列的散射场趋向于在整个角度域内均匀分布；仿真显示，与规则阵列相比，随机旋转阵列的RCS最大值减小约10dB，并且在整个三维空间都不会出现RCS栅瓣，散射场能量在整个三维空间趋向于均匀分布。图12-图13给出了不同阵列在两个方位面上的单站RCS方向图，从图中可以得到与双站情形下相似的结论，规则阵列的RCS有较高的主瓣，四元一组阵列则在多个角度上有较高副瓣或栅瓣，而随机旋转阵列的不论在主瓣区域还是副瓣区域都得到了较低的散射电平，再一次显示了它可以将散射场能量更均匀的分散到整个角度域空间的性能。

Claims (1)

1.一种用于相控阵天线的RCS缩减方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.设相控阵天线包括N个阵元，则相应具有N个馈电点，将所述的N个馈电点以矩形栅格状规则排布；
b.分别将每一个阵元绕其本身的馈电点随机旋转一个角度；具体方法为：
将N个阵元随机均分为两组，每组包括N/2个阵元，将第一组阵元中的每个阵元分别做随机旋转，第二组阵元中的阵元与第一组中的阵元一一对应，且对应关系为，设第一组阵元中的一个阵元旋转角度为φ，则第二组中与之对应的阵元的旋转角度为180°+φ；
天线阵列的辐射场为：
其中k0是波数，N是阵元个数，且θ和分别为球坐标系下的俯仰角和方位角；xn和yn是第n个阵元的相位中心坐标；是第n个阵元的单元方向图，且
其中是阵元激励幅度，是阵元的激励相位，φn是阵元的旋转角；
阵元激励相位设置为时，阵列最大增益指向
其中
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