CN108879108B - 一种基于散射极化可重构的相控阵天线rcs缩减方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，包括以下步骤：S1.为相控阵天线设置N个极化可重构的阵列单元，每个阵列单元包括三种不同的极化方式，并将N个阵列单元以矩形栅格状规则排布；S2.在相控阵天线辐射时，使N个阵列单元处于相同的极化方式，形成统一极化阵列；S3.当相控阵天线辐射结束后，使N个阵列单元的极化随机分布，形成随机极化阵列。本发明提供的基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，能够在不影响阵列天线的辐射性能的基础上，显著降低阵列天线辐射结束后的RCS。
Description
技术领域
本发明涉及微波天线阵列设计领域，特别涉及一种基于散射极化可重构的相控阵RCS缩减方法。
背景技术
随着现代雷达和通信等系统的快速发展，对天线的尺寸、成本和较高的多功能有着迫切的需求。为了达到这个目的，近年来人们提出了可重构天线的概念。极化可重构是可重构天线的一种，主要应用PIN二极管开关、光控器件、射频微波MEMS开关等途径改变入射波极化状态，从而得到期望的发射波极化，实现线极化(垂直或水平)或圆极化(左旋或右旋)的转换。将多个天线单元组成天线系统，通过改变PIN二极管开关灵活地调控天线的极化状态，使其能够适应不同系统的不同要求。
RCS缩减，即通过降低或控制目标的雷达散射截面避免敌方的探测，实现所谓的“隐身”。常见的隐身技术包括:改变外形、采用雷达吸波材料、有源对消和无源对消等。在飞行器机载设备中，天线是总RCS的主要贡献者之一，一方面，由于天线系统自身工作特点的限制，它必须保证自身良好的辐射性能，能够将电磁波正常发射和接收，不能被遮挡或覆盖，因此常规的隐身措施不能简单的应用在天线RCS控制中，另一方面，天线的高增益意味着天线将是目标散射场的重要来源，因此，作为隐身平台的重要组成部分，如何实现天线的RCS缩减至关重要。
目前大多数的研究主要集中在单元天线的RCS缩减，对相控阵的RCS的研究相对较少。目前天线单元的RCS缩减技术包括以下几种：1.时域隐身，在雷达不需要工作时关机，而在工作时将天线恢复到正常状态；2空域隐身，采用斜射式行波天线阵将阵列的结构项散射峰值通过一定技术偏移到威胁区域外；3.周期性结构技术，采用周期性频率选择表面(FSS)作为天线罩，对非工作频段内的电磁波起到很好的滤波作用；4.加载技术，包括阻抗加载技术和变容二极管加载技术等。对于阵列天线而言，阵列的散射是阵列中各个单元共同作用的结果，但并不是简单的叠加。阵列的复杂性在于馈电网络，在馈电网络中每一个不连续的地方都会产生反射信号，这些信号的叠加是非常复杂的，并且由于阵列天线结构复杂、体积较大，一些技术将会受到限制。鉴于相控阵天线广阔的应用前景，目前相控阵的RCS缩减方法仍处于研究阶段，如何在保证天线的辐射性能的前提下得到显著降低的RCS的研究报道极为有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，包括以下步骤：
S1.为相控阵天线设置N个极化可重构的阵列单元，每个阵列单元包括三种不同的极化方式，并将N个阵列单元以矩形栅格状规则排布；
S2.在相控阵天线辐射时，使N个阵列单元处于相同的极化方式，形成统一极化阵列；
S3.当相控阵天线辐射结束后，使N个阵列单元的极化随机分布，形成随机极化阵列。
所述阵列单元的三种极化方式分别为线极化、左旋极化和右旋极化。
所述N个阵列单元构成的矩形栅格中，水平和垂直方向上相邻2个馈电点之间的间距为λ/2。
所述的统一极化阵列为线极化阵列、左旋极化阵列或右旋极化阵列。
步骤S2～S3中，所述阵列单元的极化方式通过PIN二极管的开关状态进行控制，并且所述PIN二极管通过外部处理器生成一组控制序列来实现开关状态的切换。
本发明主要为通过阵元随机极化的方法实现相控阵天线带内RCS缩减，散射过程中天线可以吸收与其极化方向相同极化电磁波，但不能吸收和该天线单元的极化方式不同的极化入射波；利用阵元随机极化改变照射到相控阵各天线单元上的反射波的极化，则反射波不会同极化叠加，从而降低阵列天线的RCS；同时，在天线辐射时将极化方式切换到指定极化方式，可以辐射预期极化效果的电磁波，而且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。
本发明的有益效果是：本发明能够在保证阵列辐射性能基本不受影响的情况下大幅缩减阵列RCS，在所有天线阵元极化统一的时候，对与该极化方向相同极化的入射波吸收最强烈，对其他极化没有影响；随机打乱每个阵元的极化方向后，虽然对某种极化方式的吸收有所减弱，但是对其他极化方式都有所吸收，使整个天线阵整体达到减少RCS的目的。本发明提出的这一方法只需外部处理器控制二极管开关就可以实现RCS缩减，与传统的采用吸波材料、结构整形、加载周期性FSS等措施相比，更容易设计、结构简单便于加工和实现，也具有更低的成本。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的相控阵天线结构示意图；
图3为实施例中相控阵天线的辐射性能仿真结果示意图；其中，扫描角(θ0＝0,
)；
图4为实施例中相控阵天线采用X极化入射时，不同阵列的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度(θ0＝0°,
)；
图5为实施例中相控阵天线采用X极化入射时，不同阵列的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度(θ0＝45°,
)；
图6为实施例中相控阵天线采用LHCP极化入射时，不同阵列的双站RCS性能仿真结果示意图；其中,入射波角度(θ0＝0°,
)；
图7为实施例中相控阵天线采用LHCP极化入射时，不同阵列的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度(θ0＝45°,
)；
图8为实施例中相控阵天线采用X极化入射时，不同阵列的单站RCS性能仿真结果示意图；
图9为实施例中相控阵天线采用LHCP极化入射时，不同阵列的单站RCS性能仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，包括以下步骤：
S1.为相控阵天线设置N个极化可重构的阵列单元，每个阵列单元包括三种不同的极化方式，(分别为线极化、左旋极化和右旋极化)，并将N个阵列单元以矩形栅格状规则排布；
S2.在相控阵天线辐射时，使N个阵列单元处于相同的极化方式，形成统一极化阵列；
S3.当相控阵天线辐射结束后，使N个阵列单元的极化随机分布，形成随机极化阵列。
如图2所示，在本申请的实施例中，N的值为7，相控阵天线由7*7个极化可重构的微带天线单元(阵列单元)1组成，所述的微带天线单元1的馈电点2以矩形栅格状规则排布，且所述的馈电点2在x和y方向上的间距均为λ/2，所述的微带天线单元1的极化方式由两个PIN二极管(第一PIN二极管3和第二PIN二极管4)的开关状态进行控制。
在上述实施例中，当两个PIN二极管均为正向偏压导通状态或反向偏压断开时，对应微带天线单元1的极化方式为线极化(LP)；当第一PIN二极管3为正向偏压导通状态，第二PIN二极管4为反向偏压状态时，对应微带天线单元1的极化方式为右旋圆极化(LHCP)；当第二PIN二极管4为正向偏压导通状态，第一PIN二极管3为反向偏压状态时，天线的极化方式为左旋圆极化(RHCP)。
具体地，PIN二极管处于截止状态时，微带天线单元1寄生切角呈现容性；而导通时，微带天线单元1寄生切角呈感性,设由第一PIN二极管3控制的左上角金属贴片的工作模式为模式1，由第二PIN二极管4控制的右上角金属贴片的工作模式为模式2。当第一PIN二极管3导通，而第二PIN二极管4截止时，模式l呈现感性，模式2呈现容性。通过优化仿真选择适当寄生贴片的大小和与主辐射贴片的缝隙宽度，使模式1和模式2振幅相等，相位相差+90°，则此时微带天线单元1具有右旋圆极化(RHCP)辐射特性。反之，当第一PIN二极管3截止，第二PIN二极管4导通，模式1和模式2振幅相等，相位相差-90°，天线极化方式则为左旋圆极化(LHCP)；当两个PIN二极管均为正向偏压导通状态或反向偏压断开时，模式1和模式2振幅相等且相位相同，对应微带天线单元1的极化方式为线极化(LP)。
上述实施例中，所述PIN二极管通过外部处理器生成一组控制序列来实现开关状态的切换。
所述的统一极化阵列为线极化阵列(LP阵列)、左旋极化阵列(LHCP阵列)或右旋极化阵列(RHCP阵列)。
如图3所示，在上述实施例中，将天线的极化状态切换到需要辐射的极化波形式，从图中可以看出三种极化阵列基本一致，最大增益损失小于0.5dB。
图4～图7给出了上述实施例中，在X极化和LHCP极化电磁波入射时四种极化方式阵列的双站RCS方向图，对比观察可以看到在所有天线阵元极化统一的时候，对与该极化方向相同的入射波吸收最强烈，对其他极化的吸收较差，当极化方式正交时，吸收效果最差。随机打乱每个阵元的极化方向后，对入射波的吸收效果虽然与同极化的阵列相比吸收有所减弱，但是对比其他极化形式阵列都有所提高，在无法确定入射波极化方式的情况下使用本发明的随机极化方法，可以有效的降低RCS，躲避敌方探测。从图中可以看出随机极化的阵列对任意极化入射波的吸收效果基本一致，整个天线阵整体达到减少RCS的目的，RCS最大值缩减均大于5dB。与常规的统一极化方式的阵列相比，本发明设计的随机极化阵列对任意极化的入射电磁波均保持较低的较平滑的散射电平，因为阵元的随机极化使得阵元对入射波的吸收情况不同导致散射场各不相同，则会发生“漫反射”现象，不会在某处相干叠加形成峰值，从而降低天线的RCS。
图8～图9给上述实施例中，在X极化和LHCP极化电磁波入射时四种极化方式阵列的单站RCS方向图，从图中可以看出，单站情形下仍然保持良好的效果，统一极化方式的阵列依然能对同极化方式的入射波有较好的吸收，但对于其他形式的入射波吸收较差，然而随机极化的阵列不论何种极化方式的电磁波照射，在主瓣区域都得到了较低的散射电平。
最后需要说明的是，以上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。
Claims (4)
1.一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.为相控阵天线设置N个极化可重构的阵列单元，每个阵列单元包括三种不同的极化方式，并将N个阵列单元以矩形栅格状规则排布；
S2.在相控阵天线辐射时，使N个阵列单元处于相同的极化方式，形成统一极化阵列；
S3.当相控阵天线辐射结束后，使N个阵列单元的极化随机分布，形成随机极化阵列；
所述阵列单元的三种极化方式分别为线极化、左旋极化和右旋极化；
所述阵列单元的极化方式通过PIN二极管的开关状态进行控制：
所述阵列单元为微带天线单元(1)，微带天线单元(1)的馈电点(2)以矩形栅格状规则排布；每一个微带天线单元(1)的极化方式第一PIN二极管(3)和第二PIN二极管(4)的开关状态进行控制；
PIN二极管处于截止状态时，微带天线单元(1)寄生切角呈现容性；而导通时，微带天线单元(1)寄生切角呈感性,由第一PIN二极管(3)控制的左上角金属贴片的工作模式为模式一，由第二PIN二极管(4)控制的右上角金属贴片的工作模式为模式二，当第一PIN二极管(3)导通，而第二PIN二极管(4)截止时，模式一呈现感性，模式二呈现容性；模式一和模式二振幅相等，相位相差+90°，则此时微带天线单元(1)具有右旋圆极化辐射特性；反之，当第一PIN二极管(3)截止，第二PIN二极管(4)导通，模式一和模式二振幅相等，相位相差-90°，微带天线单元(1)极化方式则为左旋圆极化；当两个PIN二极管均为正向偏压导通状态或反向偏压断开时，模式一和模式二振幅相等且相位相同，对应微带天线单元(1)的极化方式为线极化。
2.根据权利要求1所述的一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，其特征在于：所述N个阵列单元构成的矩形栅格中，水平和垂直方向上相邻2个馈电点之间的间距为λ/2。
3.根据权利要求1所述的一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，其特征在于：所述的统一极化阵列为线极化阵列、左旋极化阵列或右旋极化阵列。
4.根据权利要求1所述的一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，其特征在于：所述PIN二极管通过外部处理器生成一组控制序列来实现开关状态的切换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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