CN109638456A - 一种基于散射相位可重构的相控阵rcs缩减方法 - Google Patents

一种基于散射相位可重构的相控阵rcs缩减方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于散射相位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×N个散射相位可重构的天线单元，每个单元包含两种相位差为180°的相位状态，并将N×N个阵元按矩形栅格状规则排布；S2.在相控阵天线辐射时，使N×N个阵列单元处于相同的相位分布状态，形成同相阵列，相邻阵元间相位差为0°；S3.当相控阵天线辐射结束后，使N×N个阵列单元的相位按棋盘状分布，形成反相对消阵列；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，与传统的采用结构整形、加载天线罩等措施相比，更容易设计、结构简单便于加工和实现，无需额外的T/R组件进行相位补偿。

Description

一种基于散射相位可重构的相控阵RCS缩减方法
技术领域
本发明涉及微波天线阵列设计领域，特别涉及一种基于散射相位可重构的相控阵RCS缩减方法。
背景技术
国防电子技术的快速发展，引发了对天线RCS(Radar Cross-Section,雷达散射截面)缩减的研究。一部优良的飞行器，不仅要求具有良好的机动性能，还对提高其战斗能力和生存能力提出了更加严苛的要求。近年来，通过整形技术和使用雷达吸波材料使得飞行器载体隐身得以实现和应用，使其不再是主要的散射源。而天线作为整个作战系统主要的散射源，降低天线的RCS受到越来越多的关注。
通常，一部飞行器上会加载多部天线，由于天线在接收/发射电磁波时会产生强烈的雷达回波信号，因此不能直接将天线暴露在空气中。通常，改变外形和在目标表面涂覆吸波材料是最为常用和有效的方法，但是天线作为一个特殊的散射体，其基本任务是收发电磁波，对天线进行RCS缩减时必须保证其最基本的辐射性能。
一般军事目标的雷达散射截面取决于它的外形结构、材料和周围的电磁环境，所以常见的天线单元RCS缩减技术包括以下几种：1.无源对消，通过结构设计来调整反射波相位，达到反相相消的目的；2.有源对消，人为引入辐射场和目标散射场在敌方雷达的探测方向相干对消，减弱雷达回波信号；3.分形技术，改变物理结构避免RCS较大的平板反射和反射器效应的出现；4.利用人工表面加载在天线上，实现带内或带外的RCS缩减，其中应用最多的包括电磁带隙结构(Electromagnetic Bandgap)及人工磁导体(Artificial MagneticConductor)表面；5.加载技术，包括阻抗加载技术和变容二极管加载技术等。通常情况下，天线单元RCS缩减技术也可应用到相控阵中，但考虑到阵列特性的影响，如单元空间排列、相位和相互耦合等，与单个天线单元相比，天线阵列的RCS显得更为复杂。阵列RCS缩减最常用的方法是利用FSS作为天线罩或阵列地板。由于FSS实际上是一种带通结构，因此对于带外RCS缩减通常是可行的选择。此外，通过随机旋转阵元，调整阵列排布方式也是一种新兴的RCS缩减方法。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
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于散射相位可重构的相控阵天线RCS缩减方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于散射相位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×N个散射相位可重构的天线单元，每个单元包含两种相位差为180°的相位状态，并将N×N个阵元按矩形栅格状规则排布；
S2.在相控阵天线辐射时，使N×N个阵列单元处于相同的相位分布状态，形成同相阵列，相邻阵元间相位差为0°，能够在侧射方向形成最大辐射，无需额外的相位补偿阵列能够正常辐射；
S3.当相控阵天线辐射结束后，使N×N个阵列单元的相位按棋盘状分布，形成反相对消阵列，以形成相控阵非工作状态下RCS的显著降低。
作为优选方式，步骤S1中阵列单元的两种相位状态为45°和-135°，两种相位状态间的相位差为180°。
作为优选方式，步骤S1中N×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，其中λ为天线在给定工作频率下的波长。
作为优选方式，步骤S2～S3中，所述阵列单元的相位状态通过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。
本发明的核心内容是散射相位的变化，主要技术方案是通过阵元散射相位反相对消的方法实现相控阵的RCS缩减。利用PIN二极管加载实现微带天线的散射相位可重构特性，得到相位差为180°的两个不同相位，使得不同阵元的散射场无法在一个主瓣区域内同相叠加，而是会实现反相对消，从而降低阵列天线的RCS。同时，对于辐射情形，通过加载反相电压或者不加载偏置电流的方法，阵元的工作频率为同一频率，呈现相同的相位分布，可以作为发射单元实现功能。
本发明的有益效果是：本发明在辐射时能够得到低回波损耗，高增益和低副瓣电平等优良性能，能出色的作为发射源加载在飞行器上，实现天线单元和阵列的正常辐射功能；同时本发明作为散射体时，通过加载电压能够改变PIN二极管的通断，散射场的相位存在180°的变化，可以完全达到散射波相消的目的，降低天线RCS的效果。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，与传统的采用结构整形、加载天线罩等措施相比，更容易设计、结构简单便于加工和实现，无需额外的T/R组件进行相位补偿，未来可用于与飞行载体的共形设计等，能很好的解决实际问题并在真实情况下应用，将会有很好的发展前景。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的相控阵天线结构示意图；
图3是本发明的散射相位可重构天线单元结构示意图；
图4是图3所示天线单元在不同二极管状态下的散射场相位示意图；
图5是图3所示天线单元在不同二极管状态下的反射系数相位示意图；
图6是图2所示天线的辐射性能仿真结果示意图；其中，扫描角
图7是本发明的相控阵天线棋盘型相位分布示意图；
图8是图2所示天线为统一相位分布和按图7相位分布时采用X极化入射时的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度
图9是图2所示天线统一相位分布和按图7相位分布时采用X极化入射时的双站RCS性能仿真结果示意图；其中，入射波角度
图10是图2所示天线统一相位分布和按图7相位分布时采用X极化入射时不同阵列的单站RCS性能仿真结果示意图。
1为微带天线单元，2为馈电点，3为第一PIN二极管，4为第二PIN二极管。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，本发明采用的基于散射相位可重构的RCS缩减方法，包括以下步骤：
S1.为相控阵天线设置N×N个散射相位可重构的天线单元，每个单元包含两种相位差为180°的相位状态，两种相位状态分别为45°和-135°，并将N×N个阵元按矩形栅格状规则排布；
S2.在相控阵天线辐射时，使N×N个阵列单元处于相同的相位分布状态，形成同相阵列，相邻阵元间相位差为0°，无需额外的相位补偿阵列能够正常辐射；
S3.当相控阵天线辐射结束后，使N×N个阵列单元的相位按棋盘状分布，形成反相对消阵列。
如图2所示，本发明所采用的N取值为8，相控阵天线由8*8个散射相位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在x和y方向上的间隔λ/2均匀排布，其中λ为天线在给定工作频率下的波长。
如图3所示，所述的微带天线单元1的散射相位由两个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。
如图4所示，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的散射场相位处于不同的分布状态；当第一PIN二极管3和第二PIN二极管4为正向偏压导通状态时，对应微带天线单元1的散射场相位为45°；当第一PIN二极管3和第二PIN二极管4为反向偏压断开状态时，对应微带天线单元1的散射场相位为-135°，两种相位分布存在180°相位差。
具体地，设贴片的输入阻抗为Zp，连接PIN二极管两端的短截线输入阻抗分别为：当PIN二极管导通和关断时，表示为Zon和Zoff。反射系数可以表示为：
Γon＝(Zon-Zp)/(Zon+Zp)
Γoff＝(Zoff-Zp)/(Zoff+Zp)
通过仿真优化贴片大小和短截线长度可以使得：
∠(Γon/Γoff)＝±180°
进一步的，如图5所示，当第一PIN二极管3和第二PIN二极管4同时导通或断开时，在一定带宽范围内，其反射系数存在180°相位差，因此，当开关处于不同的状态时，其散射场可以实现相位的180°可重构特性。
如图6所示，在上述实施例中，当第一PIN二极管3和第二PIN二极管4为反向偏压断开状态时，N×N个微带天线单元1的相位同相分布，无需T/R组件对其进行相位补偿，能够正常辐射，其增益约为22.5dBi。
由于微带天线单元1为Y极化单元，因此对于Y极化的入射电磁波能够最大程度的吸收，得到较低的RCS；而微带天线单元1不能吸收极化正交的X极化入射电磁波，大量的能量将被再次辐射，形成较强的散射场，针对该种情况，图8～图9给出了上述实施例中，在X极化电磁波入射时同相阵列和图7所示相位按棋盘状分布的反相对消阵列的双站RCS方向图，对比观察可以看到在所有天线阵元相位统一的时候，对于与极化方式正交的入射电磁波，由于阵列的总散射场是N×N个微带天线单元1的散射场的叠加效果，而这些场的相位相同导致散射场同相相干叠加，对反射波的抵消效果较差，得到较高的RCS。通过采用棋盘状相位分布，不同的微带天线单元1所形成的散射场呈现不同的相位分布，因此总散射场不会同相叠加，并且阵元间存在180°的相位差，能够最大程度的抵消单元散射场，得到较小的阵列散射场，对正交极化入射波也能实现一定程度的RCS缩减效果。从图中可以看出采用反相对消的阵列，使得整个天线阵整体达到减少RCS的目的，RCS最大值缩减大于10dB。这一方法针对垂直入射和斜入射的电磁波均有效。与常规的统一极化方式的阵列相比，本发明设计的反相对消阵列对入射电磁波能够保持较低的较平滑的散射电平，因为阵元的相位反相使得总散射场不会在相干叠加，从而降低天线的RCS。
图10为上述实施例中，在X极化电磁波入射时同相阵列和图7所示相位按棋盘状分布的反相对消阵列的单站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，同相分布的阵元散射场依然在空间中相干叠加，形成较强的阵列散射场；但对于反相对消的阵列，在主瓣区域散射场相互抵消，得到了较低的散射电平。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于散射相位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×N个散射相位可重构的天线单元，每个单元包含两种相位差为180°的相位状态，并将N×N个阵元按矩形栅格状规则排布；
S2.在相控阵天线辐射时，使N×N个阵列单元处于相同的相位分布状态，形成同相阵列，相邻阵元间相位差为0°，无需额外的相位补偿阵列能够正常辐射；
S3.当相控阵天线辐射结束后，使N×N个阵列单元的相位按棋盘状分布，形成反相对消阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于散射相位可重构的相控阵天线RCS缩减方法，其特征在于：步骤S1中阵列单元的两种相位状态为45°和-135°，两种相位状态间的相位差为180°。
3.根据权利要求1所述的一种基于散射相位可重构的相控阵天线RCS缩减方法，其特征在于：步骤S1中N×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，其中λ为天线在给定工作频率下的波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于散射相位可重构的相控阵天线RCS缩减方法，其特征在于：步骤S2～S3中，所述阵列单元的相位状态通过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。
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