CN109659708B - 一种基于阻性超材料加载的低rcs超宽带相连长槽天线阵 - Google Patents

一种基于阻性超材料加载的低rcs超宽带相连长槽天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵，该它在0.5‑2GHz的宽频带内实现了E面±60°扫描和H面±45°扫描，其剖面高度仅为低频波长的1/13，同时加载的新型阻性电磁超材料在不影响天线自身辐射性能的前提下，在工作频带以外的超宽频范围内显著地降低天线自身的带外RCS。整个天线结构主要包括:天线的同轴馈电结构；用于抑制共模谐振的两根接地金属柱；具有一定厚度的铝材料地板；位于天线介质基板下方连接天线与地板的渐变线巴伦；具有强耦合效应的印刷相连长槽天线单元；用于支撑整个相控阵天线系统结构的介质基板；用于支撑阻性电磁超材料加载的介质基板的泡沫层；具有超宽带吸波作用的圆形阻性材料。

Description

一种基于阻性超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及超宽带宽角扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，加载了新型吸波超材料(Metamaterial Absorber，MMA)的，具有低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
随着信息化战争的日渐发展，尤其是雷达探测技术的飞速进步，隐身技术在现代电子战争中占有越来越重要的地位。雷达散射截面(Radar Cross Section)，简称为RCS，是衡量被探测目标隐身性能的重要指标。雷达散射截面的大小直接决定了被探测目标的隐身性能，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。而天线作为有源目标，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。同时由于现代军事电子系统尤其是机载和弹载系统的发展，对雷达系统提出了越来越高的要求，例如能够监控速度快、距离远、数量多的目标等，因此要求天线波束指向实现快速变化。而常用的机械扫描式天线显然无法满足，故逐渐被电扫描的相控阵所替代。
传统的宽带相控阵设计，是首先设计出单个的具有比相控阵带宽更宽带宽的孤立单元，然后再将设计好的宽带天线单元进行组阵。在组阵时，希望尽可能地增大阵元间距，以使阵元间的互耦尽量的小，从而尽量不影响阵元的性能。然而受阵列栅瓣的限制，阵元间距必须小于一定的范围。因此，受阵元间固有互耦效应的制约，相控阵带宽的进一步拓展受到限制。而且，由于要求阵元具有很宽的带宽特性，因此阵元必然都具有较大的横向或纵向尺寸。横向尺寸太大，则影响相控阵列的宽带宽角扫描特性；纵向尺寸太大，则不适合平面结构的实现，不便于共形。
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教授在美国专利号6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)中首次提出了这种新型的宽带相控阵。其特点是通过缩小距离，加强耦合，直接利用单元间的强互耦效应形成连续电流，克服了互耦效应对天线带宽和扫描角的限制。经过近年的研究表明：强互耦宽带相控阵天线具有非常好的超宽频带特性，较传统相控阵天线更宽的无栅瓣扫描角，此外，它还具有低剖面，且整体呈平面结构，易于与飞行器等载体实现共形，对载体整体气动性能影响很小等特点。然而这种强互耦相控阵依旧存在着天线剖面较高，二维扫描效果差等缺点。同时该团队也并未对天线散射特性加以研究或进行控制，因此天线本身并不具有低RCS特性。
超材料是一种人工设计其结构组成的材料，它们的性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小，其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长。2008年Landy在超材料的基础上提出了一种吸波超材料，当电磁波入射到吸波超材料时，由于其对电磁波既不反射也不透射的作用，这种材料表现出完全吸收特性。吸波超材料由于其完美电磁波吸收性能性能，为天线的隐身设计打开了新的思路。
在中国专利申请号201110321595.7的专利“基于完全吸收器的低RCS微带天线”中，提出了一种基于吸波超材料的吸波特性而设计出的微带天线，在微带天线地板上加载吸波超材料后，可以使得微带天线RCS缩减8-15dB。但是由于这种微带天线设计本身属于窄带结构，其自身工作频段不宽，难以满足现代雷达系统所要求的超宽带特性，并且也难以实现相控阵的宽角扫描性能。同时，该专利设计的吸波超材料由金属圆环构成，其工作频段较窄，无法应用于具有超宽带特性的天线形式上。
为了进一步优化强耦合天线阵的辐射性能以及对其散射性能进行控制，一些改进形式的强耦合天线阵被提出。中国专利申请号为201710509295.9的专利“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”在强耦合天线阵的地板上方放置具有极化旋转效应的超材料来缩减天线的带外RCS，具有一定的效果。但受限于天线本身的极化方式以及超材料极化旋转表面的工作原理，是对特定极化入射的电磁波起作用，因此使得这种方式的RCS缩减，仅在单一极化的电磁波入射时具有明显效果，对另一极化的入射电磁波则无效。
另外，在申请号为201810200308.9的中国专利“改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控阵”中，提出了一种相控阵天线设计时辐射与散射平衡的设计思路，但在评估其散射特性时，只考量了同极化波垂直入射时的单站RCS，并没有针对交叉极化波入射时的RCS进行缩减，同时也没有给出电磁波大角度斜入射时的RCS缩减效果。
基于以上应用需求，本发明提出一种基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵，在更宽的频带内实现了不同极化的电磁波入射时的RCS减缩，同时评估了不同角度下电磁波斜入射时的RCS缩减效果。
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阻性电磁超材料(MMA)的，能够实现超宽带二维宽角扫描的，同时具有低剖面低RCS特性的超宽带相控阵天线。该天线能够在4个倍频程内实现E面±60°扫描以及H面±45°扫描，加载在其天线辐射层上的阻性电磁超材料在不影响天线自身辐射性能的前提下，能够在宽频范围内显著地降低了天线自身的带外RCS。
该天线阵可以将其近似看作由相邻的磁偶极子开槽单元紧密连接而成。开槽天线的频带特性与它的互补天线的频带特性相同，因此，对于采用紧密耦合偶极子单元的互补结构——开槽天线单元组成的阵列，其获得宽带特性的原理与宽带偶极子天线阵列的原理相同，即通过阵元间的强互耦效应来拓展工作频带。本发明的技术方案如下：使用印刷在介质板上的基于强互耦效应的相连长槽作为阵列天线单元，紧密排列的相连长槽在横向方向上形成强耦合，在纵向方向上通过相连长槽两侧寄生的开槽来增强耦合。天线单元采用了平衡馈电的渐变线巴伦结构，相连长槽单元两端的接地金属柱金属是为了将巴伦馈电所引起的共模谐振点搬离出天线所工作的频段。采用泡沫支撑位于天线辐射贴片层上方的一层薄介质层，介质层的上方加载着用于缩减天线RCS的周期性对称排布的阻性电磁超材料，该材料由分布在天线单元两侧的若干个阻性贴片构成。整个天线阵列由上述天线单元的周期结构构成，因此，本发明的天线单元结构包括：同轴馈电结构1；用于抑制共模谐振的两根接地金属柱2；具有一定厚度的金属地板3；位于天线介质基板下方连接天线与地板的竖直渐变线巴伦4；具有强耦合效应的印刷相连长槽天线贴片5；用于支撑整个相控阵天线系统结构的天线介质基板6；用于阻性电磁超材料加载的支撑介质基板7；泡沫层8；具有超宽带吸波作用的圆形阻性电磁超材料9。
本发明的创新之处在于：一、采用了基于强互耦效应的相连长槽作为天线单元，显著提升了天线宽带宽角扫描的能力。二、为了实现宽带匹配，而又不增大天线剖面高度，采用了渐变线线巴伦结构，该巴伦能在超宽频带内保持稳定的传输特性，实现了4：1相对工作带宽下天线的阻抗匹配。三、印刷在相连长槽两侧的寄生开槽显著提升了相控阵天线二维扫描的的性能。四、加载了新型阻性电磁超材料，该电磁超材料由由若干圆形阻性单元片构成，每个单元都能在宽频带范围内将入射的电磁波吸收。由于阻性材料单元呈对称分布，加载的电磁超材料对于入射电磁波的极化并不敏感，因此这种阻性材料对于不同极化的入射电磁波都有明显的吸收效果。同时加载的电磁超材料对于不同角度斜入射的电磁波也有稳定的吸收效果，从而整体上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。
综上所述，本发明的有益之处是：提出了一种基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵，它在0.5-2GHz的宽频带内实现了E面±60°扫描和H面±45°扫描，同时在不影响天线自身辐射性能的前提下，能够在宽频范围内显著地降低天线自身的带外RCS。
附图说明
图1为基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵的立体图。该图所示的天线阵列为8×8大小。
图2为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵包含一系列呈周期性排列的这种结构。每一个这样的周期单元均包含以下部分：同轴馈电结构1；用于抑制共模谐振的两根接地金属柱2；具有一定厚度的金属地板3；位于天线介质基板下方连接天线与地板的竖直渐变线巴伦4；具有强耦合效应的印刷相连长槽天线贴片5；用于支撑整个相控阵天线系统结构的天线介质基板6；用于阻性电磁超材料加载的支撑介质基板7；泡沫层8：具有超宽带吸波作用的圆形阻性电磁超材料9。
图3为具体实施例1中的天线单元在0.5-2GHz频带内E面扫描时的驻波比。由图可见，例1研制出的基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线在0.5-2GHz频带内E面0-60°扫描时的驻波比小于2.5。
图4为具体实施例1中的天线单元在0.5-2GHz频带内H面扫描时的驻波比。由图可见，例1研制出的基于基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线在0.5-2GHz频带内H面0-45°扫描时的驻波比小于3.0。
图5为天线辐射贴片上方加载阻性电磁超材料以及不实施上述方法，其0.5-2GHz全频带内天线单元增益对比图。由该图可以看出实施上述方法后，全频段增益基本上比不实施上述方法要略降低一些，在高频2GHz处，增益最大仅仅下降了0.6dB。说明了实施上述方法，对天线的辐射性能影响很低。
图6为具体实施例1中的天线单元在0.5-2GHz频带内交叉极化特性。由图可见，例1研制出的基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线在0.5-2GHz频带内极化隔离度大于40dB。
图7为具体实施例1在同极化波垂直入射时的单站RCS结果图，同时也给出了在具有实施例1不加载阻性电磁超材料的情况下同极化波垂直入射的单站RCS结果图进行比较。可见，在同极化波垂直入射时，例1在全频带内具有显著的RCS缩减效果。
图8为具体实施例1在交叉极化波垂直入射时的单站RCS结果图，同时也给出了在具有实施例1不加载阻性电磁超材料的情况下交叉极化波垂直入射的单站RCS结果图进行比较。可见，在交叉极化波垂直入射时，例1在全频带内同样具有显著的RCS缩减效果。
图9为具体实施例1在同极化波斜入射时的单站RCS结果图，同时也给出了在具有实施例1不加载阻性电磁超材料的情况下同极化波斜入射的单站RCS结果图进行比较。可见，在12GHz下同极化波斜入射时，例1在±60°内具有显著的RCS缩减效果。
图10为具体实施例1在交叉极化波斜入射时的单站RCS结果图，同时也给出了在具有实施例1不加载阻性电磁超材料的情况下交叉极化波斜入射的单站RCS结果图进行比较。可见，在12GHz下交叉极化波斜入射时，例1在±40°内具有显著的RCS缩减效果。
图11为具体实施例2时，天线在E面扫描0°、30°、60°的辐射方向图。由图可见，该阵列在E面不同扫描角度上具有稳定的波束指向，扫描时的辐射性能良好。
图12为具体实施例2时，天线在H面扫描0°、30°、45°的辐射方向图。由图可见，该阵列在H面不同扫描角度上具有稳定的波束指向，扫描时的辐射性能良好。
具体实施方案
实施例1
参照图1至图2，实施例1由一层印刷有紧密排列长槽单元的周期结构构成，采用周期边界条件模拟本发明在无限大阵列环境下的仿真。本发明的天线单元结构描述如下：同轴馈电结构1；用于抑制共模谐振的两根接地金属柱2；具有一定厚度的金属地板3；位于天线介质基板下方连接天线与地板的竖直渐变线巴伦4；具有强耦合效应的印刷相连长槽天线贴片5；用于支撑整个相控阵天线系统结构的天线介质基板6；用于阻性电磁超材料加载的支撑介质基板7；泡沫层8；具有超宽带吸波作用的圆形阻性电磁超材料9。
图3至图6给出了实施例1在扫描时的驻波比特性和辐射特性。其中从图3和图4可见，本实施例1的宽带相控阵至少具有4:1的阻抗带宽，实现了在0.5-2.0GHz范围内的二维宽角扫描。从图5可见，天线辐射贴片上方加载阻性电磁超材料后，其全频段增益基本上比不实施上述方法要略降低一些，在高频2GHz处，增益最大仅仅下降了0.6dB。说明了该阻性材料的加载对天线的辐射性能无明显的恶化作用。从图6可见，本实施例1研制出的基于阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线，在0.5-2GHz频带内极化隔离度大于40dB，具有非常良好的极化隔离特性。
考虑到现有仿真硬件设施条件，本实施例1中阵列天线自身RCS是采用电磁仿真中针对相控阵天线RCS的单元分析法，在周期边界条件下组成5*9的阵列来仿真模拟的。图7和图8给出了具体实施例1以及实施例1不加载阻性电磁超材料情况下在不同极化波垂直入射时的单站RCS结果对比图，可见，本实施例1研制的相控阵具有良好的低RCS特性。图9和图10为具体实施例1以及实施例1不加载阻性电磁超材料情况下在不同极化波斜入射时的单站RCS结果对比图。可见，按具体实施例1研制的阻性电磁超材料加载的超宽带相连长槽天线阵在电磁波斜入射的条件下同样具有低RCS特性。
实施例2
具体地。将每个天线单元(如图2所示)沿着阵面二维方向分别延伸，即可构成图1中的8×8的阻性电磁超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵。其他结构和实施例1中的一样，这里就不予赘述。
图11至图12给出了本实例2的辐射方向图。从图11和图12可以看出，该天线阵列在E面和H面的不同扫描角度上都具有稳定的波束指向，说明扫描时的辐射性能良好。
本实施实例中，阵列为由图2所示周期单元组成的8×8面阵。基于图2所描述的天线单元，可以根据实际应用需求，将无限大阵列环境拓展至任意符合实际的有限大阵列下使用。
前面已经描述本发明的多个实施例，应该理解他们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 (4)

1.一种基于阻性超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵，其特征在于相连长槽由组阵方向上的首尾相连长开槽辐射结构及辐射开槽两侧的寄生开槽构成，天线阵包括:同轴馈电结构(1)；两根接地金属柱(2)；金属地板(3)；竖直渐变线巴伦(4)；相连长槽天线贴片(5)；天线介质基板(6)；支撑介质基板(7)；泡沫层(8)；阻性电磁超材料(9)；
印刷于所述天线介质基板(6)上的相连长槽天线贴片(5)与具有一定厚度的金属地板(3)构成了天线的辐射结构；上下两端分别同相连长槽天线贴片(5)及金属地板(3)相连接的竖直渐变线巴伦(4)，与金属地板下方的同轴馈电结构(1)构成了天线的馈电结构；上下两端分别同相连长槽天线贴片(5)及金属地板(3)相连接的两根接地金属柱(2)，其作用是抑制天线的共模谐振；所述阻性电磁超材料(9)、支撑介质基板(7)与泡沫层(8)由上至下依次贴合于相连长槽天线贴片(5)上，构成阻性超材料加载结构。
2.根据权利要求1所述的基于阻性超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵，其特征在于采用了基于强互耦效应的相连长槽天线单元，紧密排列的相连长槽在横向方向上形成强耦合效应，同时通过增加天线单元两侧的寄生开槽，在纵向方向上增强耦合，从而实现了超宽带二维宽角扫描，而且整个天线剖面高度仅为低频工作波长的1/13。
3.根据权利要求1所述的基于阻性超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵，其特征还在于在天线辐射贴片层上加载了新型阻性电磁超材料形式，该阻性电磁超材料由若干个阻性贴片构成，每个阻性单元贴片都能在天线工作频带外的宽频带范围内将入射的电磁波吸收，且对入射电磁波的极化状态、入射角度均不敏感，从而显著地降低了天线RCS。
4.根据权利要求1所述的基于阻性超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵，其特征还在于所设计的新型阻性电磁超材料形式具有频率选择特性，在天线的工作频带内对电磁波无吸收作用，从而保证了天线在工作频带内自身的辐射性能不受影响。
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