CN107331977A - 基于极化转换材料的低剖面低rcs超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线 - Google Patents

基于极化转换材料的低剖面低rcs超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线，该天线能够实现4个倍频程下二维宽角扫描，其剖面高度仅为高频波长的0.267倍，满足了天线的低剖面需求，同时加载的新型极化转换材料在不影响天线自身辐射性能的前提下，有效地降低了天线自身RCS。整个天线结构主要包括:介质基板(1)；印刷于介质基板上的交指型偶极子单元(2)；偶极子两侧的矩形贴片(3)；天线介质基板下方连接天线与地板的带状线巴伦(4)；巴伦下方上表面为金属地板层(5)的介质层(6)；加载于金属地板上的极化转换材料(7)；介质层下表面的公分网络(8)；对公分网络馈电的微波同轴电缆(9)。

Description

基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相 控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及超宽带宽维扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，加载了新型极化转换超材料(polarization conversionmetamaterial，PCM)的，同时具有低剖面低RCS特性，能实现超宽带宽角扫描的相控天线阵列，适用于要求天线隐身性能良好且具有低剖面特性，并能实现超宽带宽角扫描的平台。
背景技术
隐身技术作为现代军事领域的一个重要组成部分，也是当前天线技术领域的一个重要研究方向。雷达散射截面(Radar Cross Section)，简称RCS，是目标在平面波照射下，给定方向上返回散射功率的一种量度，是衡量被探测目标隐身性能的重要指标。天线作为载体平台的强散射源之一，对其RCS有着巨大的影响，同时，天线作为有源目标，在对其进行隐身处理时必须保证其能够正常地收发电磁波，因此常规的隐身手段无法直接作用于天线。有效地缩减天线RCS，同时保证其辐射性能不受影响，是低RCS天线设计的一个巨大难点。
相控阵天线，顾名思义，是指通过控制天线阵列中各个天线单元的馈电相位来实现阵列天线波束空间扫描的天线阵列。它是由于战略因素而在常规天线阵列的基础上衍生并发展起来的一种全新的天线技术与体制。相控阵天线具有指向精度高、反应速度快、稳定性高、波束指向和形状变化灵活等优点而被广泛运用于通信、雷达、电子对抗等领域。宽带相控阵作为相控阵天线发展的趋势，已经成为当前天线领域重点研究的一个方向，也是隐身技术领域关注的重点之一。
传统相控阵天线由于其“孤立单元到阵列”的设计思路的局限，对于实现宽带乃至超宽带宽角扫描特性存在着很大的困难。首先，由于宽带天线单元形式有限，组成的天线阵列的截面一般都很大，其次，阵元之间的互耦效应以及馈电等因素也限制着天线阵列带宽的拓展。因此，这类传统的宽带相控阵天线往往存在这体积大、剖面高、不易共形、成本高等缺点，同时也由于体积和剖面高度的限制，这类相控阵天线自身的隐身性能也存在着很大的缺陷。
基于强互耦效应的宽带相控阵是近年来国际上提出的一种具有全新体制和技术的新概念相控阵天线，相较于传统相控阵，这种单元紧密排列的新型相控阵天线更适用于小型化以及宽带宽角扫描特性的设计。2003年，俄亥俄州立大学的B.Munk教授在连续电流表面思想的启发下，于美国专利号6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(WidebandPhased Array Antenna and Associated Methods)中首次提出了这种新型的宽带相控阵。其特点在于它利用了单元之间的互耦效应，通过在紧密排列的偶极子单元间引入强电容耦合分量补偿单元固有的电感分量，使天线单元输入阻抗随频率变化趋于稳定，从而极大地拓展了天线带宽，并最终通过引入阻抗匹配层使得这种相控阵达到了超宽带宽角扫描的特性。然而Munk等人所设计的强互耦相控阵由于宽角匹配层的存在以及单元耦合的局限性，依旧存在着天线剖面过高，二维扫描效果不理想等缺点，同时该团队也并未对天线散射特性进行研究，也没有对天线进行任何相关的隐身设计，因此天线自身并不具有低RCS特性。
随着强互耦相控阵天线的提出，一系列不同的改进型强互耦天线形式在国内外相继问世。在中国专利申请号201510163350.4的专利“一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线”中提出的一种改进型强互耦相控阵，实现了二维超宽带宽角扫描，同时去掉了宽角匹配层，一定程度上降低了天线剖面高度，但其在大角度扫描时驻波并不理想，同时天线自身剖面高度还是偏高，而且也未对天线散射特性进行研究。
另外，在中国专利申请号201610038643.4的专利“一种用于相控阵天线的RCS缩减方法”中提出了一种通过随机旋转阵元的方法一定程度上缩减了相控阵天线RCS。但该方法针对的相控阵属于传统窄带相控阵天线，缩减频带很窄，只针对了某个单独频点进行了缩减，局限性很大，因此并不适用于宽带相控阵。在中国专利申请号201510112415.2的专利中提出了一种基于极化转换超材料的RCS缩减方法，同样只针对了微带贴片天线RCS进行了缩减，其缩减的频段也很窄，只在某些特定的频点效果理想。
以上所述的几种改进型相控阵天线和RCS缩减方法，或是只针对了新型强互耦效宽带相控阵天线的辐射特性进行了研究与设计，而未对其散射特性进行研究；或是只对传统天线单元和阵列进行了RCS缩减，或是缩减的RCS频带有限。总而言之，基于强互耦效应的宽带相控阵相较于传统相控阵天线虽然具有宽带宽角扫描等一系列优势，但目前国内外对于这种新型宽带相控阵天线研究还存在着诸多尚未解决的难点。一方面，强互耦天线为了实现超宽带宽角扫描，其天线剖面高度受到了严格的约束，实现天线的低剖面化是这类阵列天线的难点之一；另一方面，当前国内外对于基于强互耦效应的这种新型宽带相控阵天线的散射特性研究还很少，基本属于起步阶段，而针对这类阵列天线的低RCS设计更是还处于空白阶段。而随着科学技术的不断发展，为了满足高速的载体平台以及越来越复杂的电磁环境与军用电子系统的工程要求，一款同时具有低剖面低RCS特性并能够实现超宽带宽角扫描的天线就显得尤其重要，本发明正是为了解决上述问题而提出的。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提出了一种加载了新型极化转换超材料(PCM)的，能够实现超宽带二维宽角扫描的，同时具有低剖面低RCS特性相控阵天线。该天线能够在4个倍频程内实现E面±60°扫描以及H面±50°扫描，加载在其金属地板上的极化转换超材料在宽频范围内有效地降低了天线自身带外的RCS，并且不影响天线自身辐射性能和剖面高度。本发明里天线自身高度仅有40.254mm(约为高频波长的0.267倍)。
本发明天线设计思路基于上述背景提出的强互耦效应，并且采用了新型紧耦合偶极子单元和带状线巴伦结构，同时加载了自行设计的新型极化转换超材料，从而克服了上述背景中所提到的诸多难点，实现了兼备低剖面和低RCS特性并且能够实现超宽带二维宽角扫描的相控阵天线。
本发明采用如下技术方案：使用印刷在介质板上的基于强互耦效应的交指型偶极子作为阵列天线单元，紧密排列的偶极子在横向方向上形成强耦合，在纵向方向上通过偶极子两侧印刷的矩形贴片来增强耦合。由于单个天线单元尺寸过小，同时考虑优化阻抗匹配，整个天线单元设计为两个子单元连接形成的子阵单元，并通过一分二功分来连接，同时采用同轴线馈电方式。其馈电结构主要包括连接天线单元与地板的带状线巴伦和放置于巴伦下方的一面为金属层地板，另一面印刷着一分二公分网络的介质层。介质层的金属面上方加载着用于缩减天线RCS的周期性对称排列的极化转换材料，该材料由四个分布于地板四角并且相互对称的极化转换单元组构成，每个单元组由10个极化转换单元周期排列构成。其中带状线的巴伦的主要作用在于：一、支撑天线平面；二、阻抗变换；三、连接馈电到天线实现非平衡到平衡的转换。整个天线阵列由上述天线单元的周期结构构成，因此，本发明提出的超宽带相控阵天线结构包括介质基板(1)；印刷于介质基板上的交指型偶极子单元(2)；印刷在偶极子两侧的矩形贴片(3)；位于天线介质基板下方的带状线巴伦(4)，该巴伦为多层板结构，3层金属，上下两层为与地板和天线连接的金属层(41)，中间层为与公分网络相连的馈电探针(42)；位于巴伦下方且上表面为金属地板层(5)的介质层(6)；加载于介质层上面金属地板上的极化转换材料(7)；印刷在介质层下表面的一分二公分网络(8)；对公分网络馈电的微波同轴电缆(9)。整个天线高度约为高频的波长的0.267倍。
本发明方案的优点是：一、采用了基于强互耦效应的交指型偶极子作为天线单元，显著提升了天线宽带宽角扫描的能力。二、采用了新型带状线巴伦结构，该巴伦能在超宽频带内保持稳定的传输特性，当天线剖面高度降低时拥有更稳定的阻抗变换特性，避免了使用宽角阻抗匹配层，实现了4：1相对工作带宽下天线的低剖面化，同时减轻了天线自重。三、印刷在偶极子两侧的矩形贴片显著提升了相控阵天线二维扫描的的性能。四、通过公分网络将两个子单元组成子阵作为天线单元，解决了天线单元过小的缺点，同时降低了自由空间到天线端口的阻抗，减小了巴伦阻抗变换的压力，优化了天线驻波。五、加载了自行设计的新型极化转换材料，该极化转换材料由若干个相互对称分布的极化转换单元组构成，每个极化转换单元组都由若干极化转换单元构成，每个单元组都能在宽频范围内将入射的电磁波极化方向扭转90°再反射，由于相邻极化转换单元组呈对称分布，因此相邻极化转换单元组所反射的电磁波因极化扭转的关系，其极化方向相反而相互抵消，从而在一个较宽的频带内显著地降低了天线带外RCS，同时不影响天线自身辐射性能。
附图说明
图1为本发明的一种没有加载极化转换材料的低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线。该图所示天线阵列为10x10阵列。该阵列仅为低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线的一个具体实施例。
图2为本发明的一种加载了极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线。该图所示天线阵列为10x10阵列。该阵列仅为低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线的一个具体实施例。
图3为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线包含一系列呈周期性排列的这种结构。
图4为图2中一个周期单元的结构图，图2所述的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线包含一系列呈周期性排列的这种结构。
图5为本发明中组成极化转换材料的极化转换单元结构示意图，其中图5(a)的为侧视图，图5(b)为俯视图。
图6为本发明的极化转换单元在无限大周期环境下的S参数特性示意图，该示意图主要反映了极化转换单元在x极化入射波垂直照射下,x极化和y极化反射波的幅度,曲线Ryx表示入射波为x极化，y极化反射波的幅度，曲线Rxx表示入射波为x极化，x极化反射波的幅度，可见该结构能在宽频范围内实现良好的极化转换效果。
图7为具体实施例1中没有加载极化转换材料的低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵的单个单元在0.5-2.0GHz频带内E面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线在0.5-2.0GHz频带内E面0-60°扫描时驻波比小于2.5。
图8为具体实施例1中没有加载极化转换材料的低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵的单个单元在0.5-2.0GHz频带内D面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线在0.5-2.0GHz频带内D面0-60°扫描时驻波比小于2.5。
图9为具体实施例1中没有加载极化转换材料的低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵的单个单元在0.5-2.0GHz频带内H面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的没有加载极化转换材料低剖面超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线在0.5-2.0GHz频带内E面0-50°扫描时驻波比小于3.0。
图10为具体实施例1中加载了极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵的单个单元在0.5-2.0GHz频带内E面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线在0.5-2.0GHz频带内E面0-60°扫描时驻波比小于2.5。
图11为具体实施例1中加载了极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵的单个单元在0.5-2.0GHz频带内D面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线在0.5-2.0GHz频带内E面0-60°扫描时驻波比小于2.5。
图12为具体实施例1中加载了极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵的单个单元在0.5-2.0GHz频带内H面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线在0.5-2.0GHz频带内H面0-50°扫描时驻波比小于2.5。
图13为具体实施例1中加载了极化转换材料的阵列天线和没有加载极化转换材料的阵列天线在2.0GHz频点E面0-60°各扫描状态下的辐射方向对比图。其中，图13(a)为两种阵列天线在不扫描状态下E面辐射方向图，图13(b)为两种阵列天线在扫描至θ＝30°时E面辐射方向图，图13(c)为两种在扫描至θ＝60°时E面辐射方向图。
图14为具体实施例1中加载了极化转换材料的阵列天线和没有加载极化转换材料的阵列天线在2.0GHz频点D面0-60°各扫描状态下的辐射方向对比图。其中，图14(a)为两种阵列天线在不扫描状态下D面辐射方向图，图14(b)为两种阵列天线在扫描至θ＝30°时E面辐射方向图，图14(c)为两种在扫描至θ＝60°时E面辐射方向图。
图15为具体实施例1中加载了极化转换材料的阵列天线和没有加载极化转换材料的阵列天线在2.0GHz频点H面0-50°各扫描状态下的辐射方向对比图。其中，图15(a)为两种阵列天线在不扫描状态下H面辐射方向图，图15(b)为两种阵列天线在扫描至θ＝30°时H面辐射方向图，图15(c)为两种在扫描至θ＝50°时E面辐射方向图。
图16为具体实施例1中加载了极化转换材料的阵列天线和没有加载极化转换材料的阵列天线在x极化和y极化电磁波垂直入射下单站RCS在6.0GHz-18GHz频段内随频率变化对比图。其中，图16(a)为两种阵列在x极化波垂直入射下单站RCS随频率变化的对比图，图16(b)为两种阵列在y极化波垂直入射下单站RCS随频率变化的对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参照图1和图2，本实施例的两种阵列天线都是由一层印刷有紧密排列的偶极子单元的天线子阵单元的周期结构构成。其结构都包括介质基板(1)；印刷于介质基板上的交指型偶极子单元(2)；印刷在偶极子两侧的矩形贴片(3)；位于天线介质基板下方的带状线巴伦(4)；位于巴伦下方且上表面为金属地板层(5)的介质层(6)；印刷在介质层下表面的一分二公分网络(8)；对公分网络馈电的微波同轴电缆(9)。其结构唯一不同点在于图2所示的天线结构还包括了加载于介质层上面金属地板上的极化转换材料(7)。整个天线高度仅为高频波长的0.267倍，满足了天线的低剖面要求。
参照图3和图4所示的图1和图2的两种阵列天线的单元结构，基于强互耦效应的交指型偶极子(2)印刷在介质基板(1)顶部的中间位置，偶极子两侧分别印刷着一个矩形贴片(3)。由于单个天线单元尺寸过小，同时考虑优化阻抗匹配，整个天线单元设计为两个子单元连接形成的子阵单元，并通过一分二功分网络(8)来连接，同时采用同轴线(9)馈电方式。其馈电结构主要包括连接天线单元与地板的带状线巴伦(4)和放置于巴伦下方的一面为金属层地板(5)，另一面印刷着一分二公分网络(8)的介质层(6)，其中带状线巴伦为多层板结构，3层金属，上下两层为与地板和天线连接的金属层(41)，中间层为与公分网络相连的馈电探针(42)。图4所示单元结构与图3唯一不同点在于其金属地板层(5)上方加载着用于缩减天线RCS的周期性对称排列的极化转换材料(7)，该材料由四个分布于地板四角并且相互对称的极化转换单元组(71)构成，每个单元组由10个极化转换单元(711)周期排列构成。
参照图5和图6，每一个极化转换单元(711)由一个3mm厚度的介质层(7111)和介质层上面印刷的具有对称结构的金属图案(7112)以及介质层下面的金属地板(7113)构成。图6给出了该单元在无限大周期环境下的S参数特性曲线，该示意图主要反映了极化转换单元在x极化入射波垂直照射下,x极化和y极化反射波的幅度,曲线Ryx表示入射波为x极化，y极化反射波的幅度，曲线Rxx表示入射波为x极化，x极化反射波的幅度，也就是说，当用x极化平面波垂直照射极化转换单元时，如果Ryx越大，说明极化转换率越高，对应的Rxx就应该越低，此时，被x极化照射的极化转换单元所产生的反射波，主要是y极化，换言之，反射波电场矢量相比于入射波电场矢量实现了90°旋转可见该结构能在宽频范围内实现良好的极化转换效果，可见该结构能在宽频范围内实现良好的极化转换效果。
参照图7至图15，图7至图12给出了该实施例两种天线在E面、D面、H面三个典型面扫描时的单元驻波特性；图13至图15给出了该实施例两种天线在E面、D面、H面三个典型面扫描时的辐射方向对比图。可以看出，该实施例实现了在0.5-2.0GHz这样一个超宽频带范围内的二维宽角扫描，而且加载的极化转换材料并未对天线的辐射性能产生任何影响。
参照图16给出了本实施例中的两种阵列天线在x极化和y极化电磁波垂直入射下单站RCS在6.0GHz-18GHz频段内随频率变化对比图。可以看到，加载了极化转换材料的阵列天线的单站RCS在6.0GHz-18GHz的频带内得到了良好的缩减。
以上结果说明，本发明的阵列天线能够在4个倍频程的工作带宽内实现二维宽角扫描，同时整个天线高度仅为高频波长的0.267倍，满足了天线的低剖面要求，而加载的极化转换材料在宽频范围内显著地降低了天线自身RCS，并且不影响天线辐射性能，使天线具有了低RCS特性。
考虑到现有仿真硬件设施条件，本实施例中均是采用电磁仿真中的方向图叠加原理对10×10面阵的方向图作仿真模拟，而阵列天线自身RCS则是采用电磁仿真中针对相控阵天线RCS的单元分析法仿真模拟的。
本实施实例中，阵列为由图4所示周期单元组成的10×10面阵。基于图4描述的周期单元，针对实际应用需要，可将该无限大阵列拓展至任何符合实际的有限大阵列。
前面已经描述本发明的一个实施例，应该理解上述实施例只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (3)

1.基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线，它包括:介质基板(1)；印刷于介质基板上的交指型偶极子单元(2)；印刷在偶极子两侧的矩形贴片(3)；位于天线介质基板下方连接天线与地板的带状线巴伦(4)，该巴伦为多层板结构，3层金属，上下两层为与地板和天线连接的金属层(41)，中间层为与公分网络相连的馈电探针(42)；位于巴伦下方且上表面为金属地板层(5)的介质层(6)；加载于介质层上面金属地板上的极化转换材料(7)；印刷在介质层下表面的一分二公分网络(8)；对公分网络馈电的微波同轴电缆(9)。
2.根据权利要求1所述的基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线，其特征在于采用了基于强互耦效应的交指型偶极子单元，增强了沿偶极子臂方向单元的耦合，同时通过偶极子两侧的矩形贴片增强了另一个方向上的耦合，实现了超宽带二维宽角扫描，而且整个天线高度仅为高频波长的0.267倍。
3.根据权利1要求所述的基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线，其特征还在于在天线地板上加载了自行设计的新型极化转换材料，该极化转换材料由若干个极化转换单元组构成，每个极化转换单元组都由若干极化转换单元构成，每个单元组都能在宽频范围内将入射的电磁波极化方向扭转90°再反射，由于相邻极化转换单元组呈对称分布，因此相邻极化转换单元组反射的电磁波极化方向相反，继而相互抵消，从而在宽频带内显著地降低了天线RCS，同时不影响天线自身辐射性能。
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