CN109687161A - 一种低rcs极化旋转型宽带超宽带透射阵列天线 - Google Patents

一种低rcs极化旋转型宽带超宽带透射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低RCS极化旋转型宽带超宽带透射阵列天线,属于无线通信技术、雷达技术领域。它包含喇叭馈源天线以及由透射反射一体化极化独立控制宽带/超宽带单元构成的透射阵列天线。通过对透射单元的排布进行优化，可实现透射阵列天线宽带/超宽带的辐射特性；通过对反射单元的排布进行优化，可实现带内交叉极化RCS显著缩减。与传统极化旋转型宽带/超宽带透射阵列天线相比，本发明具有在最大限度不影响其辐射特性的基础上对RCS进行了显示缩减，便于加工和系统集成，可用于雷达和超宽带通信系统。

Description

一种低RCS极化旋转型宽带超宽带透射阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，具体涉及极化旋转型宽带/超宽带透射阵列天线的雷达散射截面积(RCS)缩减技术。
背景技术
雷达散射截面(Radar Cross Section，缩写为RCS)是雷达隐身技术中最关键的概念，它是表征目标在雷达波照射下在某一方向产生的散射波强度的一种物理量。雷达在探测目标时，雷达通过天线把电磁波能量辐射到空间某一方向，此方向上的物体被电磁波照射时，根据麦克斯韦方程和电磁场边界条件，该物体和物体周围都会产生新的电磁场，这就是目标的散射场。雷达接收到目标散射的电磁波，送至接收设备进行处理，提取相关信息，便能实现对目标进行测距、识别、跟踪等功能。散射能量的空间分布称为散射方向图。对被照射物体而言，不同物体的尺寸、空间结构、组成材料等对散射方向图会造成不同的影响。另外，雷达所发射的电磁波的角度、频率、极化方向等电磁波特性也是影响散射方向图有重要因素。
透射阵列天线由平面透射阵和馈源喇叭组成。透射阵面是由大量印制于介质基片上的微带贴片单元组成的平面阵列。其工作机理是：电磁波从喇叭馈出以后，沿着不同的传输路径到达每个单元，传输路径长度的差异将导致各单元所接收的入射场发生不同的空间相位延迟，通过合理设计每个单元，使其能对入射场进行适当相位补偿，让出射场在天线口径面上形成所需的同相位波前。传统相控阵之所以复杂笨重，主要因为其辐射谐振单元与移相器相分离。而透射阵天线最大的优势在于其辐射单元将辐射特性与移相特性合为一体。单元的移相特性是指入射电场经单元透射后，相位的改变量随单元几何尺寸的变化关系，直观地反映为单元移相曲线。然而，受限于微带天线固有的窄带特性以及透射阵列天线单元与空间所需补偿相位的色散特性不一致等因素，大部分透射阵列天线的工作带宽限制在5％到30％左右。为了扩展透射阵列天线的工作带宽，电子科技大学屈世伟教授课题组提出了一系列极化旋转型透射单元，利用其结构的法布里-珀罗腔体谐振效应，成功的设计了一系列具有倍频、多倍频的宽带/超宽带透射阵列天线。然而，此种类型的宽带/超宽带透射单元由于双层正交极化栅格结构的应用，其交叉极化雷达散射截面积与同样面积金属地板基本相当，非常不利于其在真实场景中的应用。因此，提出一种降低极化旋转型宽带/超宽带透射阵列天线RCS的技术，对其在实际应用中有很大意义。
发明内容
本发明针对极化旋转型宽带超宽带透射阵列天线提供了一种RCS缩减技术。在基本不影响其辐射特性的基础上，利用改进的单元结构，对其带内交叉极化RCS实现了显著的缩减。
本发明技术方案为一种低RCS极化旋转型宽带超宽带透射阵列天线，包括：馈源喇叭和透射阵列天线；所述透射阵列天线由多个独立控制单元组成，所述每个独立控制单元包括：线极化金属反射贴片、极化旋转金属透射贴片、第一金属极化栅格、第二金属极化栅格、第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板；所述第二介质基板位于第一介质基板上，第三介质基板位于第二介质基板上，所述第一金属极化栅格位于第一介质基板下表面，极化旋转金属透射贴片位于第二介质基板下表面，第二金属极化栅格位于第三介质基板下表面，线极化金属反射贴片位于第三介质基板上表面，所述第一金属极化栅格与第二金属极化栅格正交；所述极化旋转金属透射贴片为“工”字形，其中“工”字形顶边和底边为同一圆心的一段弧形，弧度为π/2；所述线极化金属反射贴片包括：外层贴片、中层贴片、内层贴片，所述外层贴片和中层贴片都为两片开口相对的“U”形金属贴片，外层贴片和中层贴片中的“U”形金属贴片开口方向相同，外层贴片中的两片“U”形金属贴片距离大于中层贴片中的两片“U”形金属贴片的距离，所述内层贴片为两片开口相背的“U”形金属贴片，内层贴片中的两片“U”形金属贴片的开口方向和外层贴片中的“U”形金属贴片开口方向相反，所述内层贴片中的两片“U”形金属贴片距离小于中层贴片中的两片“U”形金属贴片的距离。
进一步的，所述透射阵列天线中的各独立控制单元的金属贴片大小不同，不同位置的独立控制单元的金属贴片大小根据实际情况决定。
所述独立控制单元可实现对其反射、透射特性的独立控制；通过优化其透射单元排布，实现宽带/超宽带辐射特性；同时通过优化其反射单元排布，实现宽带/超宽带RCS缩减特性；
本发明所提出的低RCS极化旋转型宽带/超宽带透射阵列天线采用喇叭天线进行馈电，其透射单元、反射单元一体化，并且通过调整单元相应参数，实现对透射特性、反射特性的独立控制。通过对透射单元的排布进行优化，可实现透射阵列天线宽带/超宽带的辐射特性；通过对反射单元的排布进行优化，可实现带内交叉极化RCS显著缩减。
本发明有益效果有：1.提出了透射反射一体化宽带/超宽带单元结构；2.解决了传统透射阵列天线的窄带问题，将其工作带宽有效扩展至宽带/超宽带范围；3.解决了极化旋转型透射阵列天线RCS过高的问题，利用可控反射单元，对天线散射特性进行优化，实现了RCS显著缩减。
附图说明
图1为本发明中透射、反射一体化双极化独立控制单元示意图；图中，101为透射阵独立控制单元，101-1为线极化金属反射贴片以及第三介质基板上表面，101-2为第二金属极化栅格以及第二介质基板上表面，101-3为极化旋转金属透射贴片以及第一介质基板上表面，101-4为第一金属极化栅格以及第一介质基板下表面。
图2为本发明中透射阵列天线接受雷达照射示意图；图中，102-1为馈源喇叭，102-2为透射阵列天线，102-3为入射平面波示意图。
图3为具体实施实例中初始极化旋转透射阵列天线与等大理想金属地板在垂直入射平面波下RCS结果；
图4为具体实施实例中初始透射单元与加载反射结构透射单元传输幅度对比结果图；
图5为具体实施实例中反射结构优化分布示意图；图中，105为线极化金属反射贴片阵列排布示意图，105-1为线极化金属反射贴片阵列中某一单元。
图6为具体实施实例中平面波垂直入射时E面RCS缩减效果图；
图7为具体实施实例中平面波垂直入射时H面RCS缩减效果图；
图8为具体实施实例中平面波垂直入射时三维RCS对比结果图，图8(a)对应初始极化旋转透射阵列天线，图8(b)对应加载反射结构透射单元透射阵列天线；
图9具体实施实例中平面波H面30度斜入射RCS缩减效果图；
图10为具体实施实例中平面波H面30度斜入射时三维RCS对比结果图，图10(a)对应初始极化旋转透射阵列天线，图10(b)对应加载反射结构透射单元透射阵列天线；
图11为本发明实施例中在加载反射结构前后透射阵列天线的辐射特性对比结果图，可看出透射阵列天线辐射特性保持良好，增益损耗在1dB以内。与传统极化旋转透射阵列天线相比，本发明的结果实现了RCS大幅缩减，同时保持了良好的辐射特性，证明了本发明提出方法的可行性与优越性。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例，对本发明技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
图1为本发明实施例中透射、反射一体化双极化独立控制单元，它在宽带/超宽带极化旋转透射单元的基础上，加载宽带/超宽带反射单元，通过对其排布进行优化来实现RCS的缩减。本实施例中t1，t2，t3厚度分别为0.5mm，2.5mm和3mm，单元大小为9.6mm×9.6mm；101-1中参数x1＝0.2L1,y1＝0.1L1,z1＝0.05L1,w1＝w2＝0.3,g1＝0.6,gi1＝0.2,Lv1＝b1*[L1-2*(w1+wi1+g1+gi1)]；101-3参数R1＝3.3,R2＝4.7,w1＝1.4,L＝9.6；101-2和101-4中第一、第二金属极化栅格宽度及间隙均为L/8。
图2为本发明实施例中透射阵列天线接受雷达波照射示意图。传统宽带/超宽带极化旋转透射阵列天线因其接受雷达波一侧为极化栅格，会产生与等大金属地板相当的雷达散射截面积。本发明中在其接受雷达波一侧为可控宽带/超宽带反射单元，因此可对RCS进行有效缩减。
图3为本发明实施例中初始极化旋转透射阵列天线和理想等大金属地板在法向入射波照射下RCS结果。
图4为本发明实施例中初始透射单元以及透射单元加载反射结构之后传输幅度的对比结果，可看到反射结构对单元传输性能影响较小。
图5为本发明实施例中反射结构排布优化结果示意图，具体优化过程利用阵列综合技术结合智能优化算法，使散射能量不再向来波镜像方向集中，实现RCS大幅缩减。
图6,7,8为本发明实施例中平面波垂直入射时RCS缩减效果图。将初始极化旋转透射阵列天线与加载反射结构透射阵列天线对比，可看出天线RCS得到了显著缩减。
图9,10为本发明实施例中平面波H面30度斜入射时RCS缩减效果图。将初始极化旋转透射阵列天线与加载反射结构透射阵列天线对比，可看出天线RCS得到了显著缩减。
图11为本发明实施例中在加载反射结构前后透射阵列天线的辐射特性对比结果图，可看出透射阵列天线辐射特性保持良好，增益损耗在1dB以内。与传统极化旋转透射阵列天线相比，本发明的结果实现了RCS大幅缩减，同时保持了良好的辐射特性，证明了本发明提出方法的可行性与优越性。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (2)

1.一种低RCS极化旋转型宽带超宽带透射阵列天线，包括：馈源喇叭和透射阵列天线；所述透射阵列天线由多个独立控制单元组成，所述每个独立控制单元包括：线极化金属反射贴片、极化旋转金属透射贴片、第一金属极化栅格、第二金属极化栅格、第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板；所述第二介质基板位于第一介质基板上，第三介质基板位于第二介质基板上，所述第一金属极化栅格位于第一介质基板下表面，极化旋转金属透射贴片位于第二介质基板下表面，第二金属极化栅格位于第三介质基板下表面，线极化金属反射贴片位于第三介质基板上表面，所述第一金属极化栅格与第二金属极化栅格正交；所述极化旋转金属透射贴片为“工”字形，其中“工”字形顶边和底边为同一圆心的一段弧形，弧度为π/2；所述线极化金属反射贴片包括：外层贴片、中层贴片、内层贴片，所述外层贴片和中层贴片都为两片开口相对的“U”形金属贴片，外层贴片和中层贴片中的“U”形金属贴片开口方向相同，外层贴片中的两片“U”形金属贴片距离大于中层贴片中的两片“U”形金属贴片的距离，所述内层贴片为两片开口相背的“U”形金属贴片，内层贴片中的两片“U”形金属贴片的开口方向和外层贴片中的“U”形金属贴片开口方向相反，所述内层贴片中的两片“U”形金属贴片距离小于中层贴片中的两片“U”形金属贴片的距离。
2.如权利要求1所述的一种低RCS极化旋转型宽带/超宽带透射阵列天线,其特征在于所述透射阵列天线中的各独立控制单元的金属贴片大小不同，不同位置的独立控制单元的金属贴片大小根据实际情况决定。
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