CN109786969B - 一种基于加载人工电磁材料的低rcs相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于加载人工电磁材料的低RCS相控阵天线，属于天线工程技术领域。该天线包括下层的阵列天线层、上层的人工电磁材料层、以及中间的支撑结构；人工电磁材料层由周期排列的人工电磁材料大单元组成，每个相控阵天线单元正上方对应一个人工电磁材料大单元。本发明采用周期性人工电磁材料加载于相控阵天线单元上方，每个单元加载的人工电磁材料有不同的透射相位，导致整体单元有不同的反射相位，通过控制反射相位分布可以控制散射波能量的分布，从而实现RCS缩减。本发明结构简单，容易加工和实现，可以同时实现天线带内带外的RCS缩减，且适用性高。在保证天线辐射性能的基础上缩减了相控阵天线的RCS，实现雷达隐身。

Description

一种基于加载人工电磁材料的低RCS相控阵天线

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，属于相控阵天线RCS缩减技术，通过人工电磁材料与相控阵天线结合相实现。

背景技术

在现代战争中，随着雷达技术的发展，对飞行器隐身技术的要求也随之越来越高。随着隐身技术的发展，采用特殊外形，吸波涂料和无源对消等手段，可以有效降低飞行器结构的雷达散射截面(Radar Cross-Section,RCS)。但是天线作为一种特殊的散射体，如果使用一般的缩减方法，在缩减了天线的RCS同时，会导致天线的辐射性能遭到显著破坏。因此在不影响天线辐射性能的情况下，有效缩减或控制天线的RCS，对于天线的载体显得至关重要。

实现天线RCS缩减的技术有很多种。常用的方法有天线罩技术，利用频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)，电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap,EBG)等结构，加载在天线的前端或者地板，将来波进行对消减小天线的散射。加载技术是指在特定位置加载电阻或二极管，使天线获得较小的散射响应。采用宽带匹配技术可以有效降低天线的模式项RCS。在天线表面增加全息材料，可以使来波在天线表面变为表面波，从而降低反射来实现RCS的缩减。这几种方式都有各自的局限性，FSS等结构在天线带内会影响天线的辐射性能，宽带匹配技术实现宽频带内的天线与接收机匹配较为困难，全息材料应用在相控阵表面时同样会影响天线的辐射性能。目前研究的天线RCS缩减方法中，对于阵列天线使用的RCS缩减方法较少。

发明内容

为了解决以上技术的局限性，本发明提出一种灵活性高，不破坏相控阵原有结构的相控阵天线RCS缩减技术。该方法在相控阵上方增加一层周期性的人工电磁材料，具有较小的传输损耗，每个相控阵单元上方对应的加载单元采用不同的透射相位。不同于之前的缩减技术，该技术可实现天线带内与带外，交叉极化波与主极化波的宽带RCS缩减，且可使用于单元较小的阵列天线，同时不影响天线阵列的辐射性能。

一种基于加载人工电磁材料的低RCS相控阵天线，包括下层的阵列天线层，上层的人工电磁材料层，以及中间的支撑结构。

所述人工电磁材料层由周期排列的人工电磁材料大单元组成，每个阵列天线层的天线单元正上方对应一个人工电磁材料大单元，所述人工电磁材料大单元由若干个小单元组成。

所述阵列天线层为紧耦合天线阵，通过调节馈电实现需要的各单元相位。

所述人工电磁材料大单元满足要求透射率且通过调节单元参数实现需要相移并且不影响周期性。

所述人工电磁材料小单元包括若干层层叠设置的介质基板，以及每层介质基板上下表面的金属贴片。

所述人工电磁材料小单元上下表面的金属贴片形状相同尺寸不同。

进一步地，所述人工电磁材料小单元每两层介质基板与一层金属贴片间隔设置。

可采用人工电磁材料单元如图2至图5结构，根据对电磁材料的频带与存在的需要，可设计多种不同人工电磁材料单元，如覆盖金属贴片的介质单元。单元的要求是满足要求透射率且通过调节单元参数可以实现需要相移并且不影响周期性。

实现RCS缩减特性时，当平面波从法向照射到人工电磁材料层，各人工电磁材料大单元的透射相位不同从而导致波反射时在天线阵面上不是处于同一相位。通过合理安排各人工电磁材料大单元的反射相位，可以控制反射波的能量分布，从而达到明显降低特定角度RCS的效果。

在天线辐射时，由于波通过每个人工电磁材料大单元的透射相位不同，辐射时口径面上的相位分布与馈电相位分布不符，从而导致增益降低，此时通过各辐射单元对应单元的透射相位在馈电端进行相位补偿，使阵面相位达到要求，损失的增益得到补偿，从而对辐射特性不受影响。

附图说明

图1为整体结构的3D视图。

图2、图3、图4、图5为人工电磁材料层可使用的人工电磁结构小单元104的各种结构。

图6为法向入射时，有人工电磁材料层相控阵天线(RCS缩减阵列)和无人工电磁材料层相控阵天线(未缩减阵列)在整个频带内的单站RCS对比与缩减量。

图7为法向入射时，RCS缩减阵列和未缩减阵列在15GHz下的E面双站RCS对比。

图8为斜入射时，RCS缩减阵列和未缩减阵列在13GHz下的双站RCS(斜入射，θ＝10°)对比。

图9为斜入射时，在15GHz下，RCS缩减阵列和未缩减阵列的双站RCS(θ＝30°入射)对比。

图10为RCS缩减阵列和未缩减阵列的E面辐射增益(10GHz未扫描)对比。

图11为RCS缩减阵列和未缩减阵列的E面辐射增益(10GHz下E面扫描30°，φ＝90°，θ＝30°)对比。

附图标记说明：101.相控阵天线层，102.人工电磁材料层，103.人工电磁材料大单元，104.人工电磁材料小单元。

具体实施方式

实施例1：阵列天线RCS缩减

首先对人工电磁材料层进行设计，得到满足透射相位要求且平面尺寸与相控阵单元相符的人工电磁材料大单元，如相控阵单元尺寸是该种人工电磁材料小单元尺寸的整数倍，通过改变参数实现整个单元反射相位的360°相位差。对人工电磁材料大单元和相控阵单元看为一个整体进行反射特性仿真，得到平面波照射时的反射相位曲线。

进行RCS缩减设计时，将各个大单元视为幅度相同，相位不同的反射单元，进行方向图综合，视为等幅激励的阵列，采用波束赋形的方法进行相位综合，得到使阵面法向上RCS缩减的相位分布。结合单元对平面波的反射相位曲线，对应到各个相控阵单元上方得到的人工电磁材料单元参数，并记录各个单元上方的参数。

在辐射时，由于透射相位的存在，波通过人工电磁材料层后，在人工电磁材料阵面的相位分布已经与相控阵天线阵面不同，因此需要在馈电时针对每个相控阵天线单元，都进行相位补偿，弥补通过人工电磁材料层损失的相位，实现所需的相位分布，因此只需要在馈电时进行补偿，便不会影响辐射性能。

建立模型并仿真，天线单元尺寸为16×16mm，8×8阵列，人工电磁材料层中小单元结构如图2所示，四层介质基板上下面间隔设置有方形和栅形金属贴片。将综合频率定在7GHz，X方向线极化平面波照射(天线交叉极化)。使用综合相位的方向图综合方法，得到0°凹陷的方向图与对应的相位分布。对单元做反射相位曲线仿真，得到单元反射相位曲线。结合方向图综合结果得到各人工电磁材料单元的参数，建立整体模型。对于天线主极化来波的RCS，只是RCS大小较小，仍然可得到缩减效果。

RCS的缩减效果见图6，图7。垂直入射时，相比未缩减的阵列，RCS缩减阵列的RCS在仿真频带内得到明显缩减。斜入射时，散射强烈区域的RCS也得到明显缩减。阵列的辐射结果见图10，经过相位补偿后，增益没有显著下降。

在进行双站斜入射RCS缩减时，得到相控阵单元覆盖人工电磁材料单元时反射曲线随参数的变化曲线。在进行方向图综合时，仍然视为等幅激励的单元，只进行相位综合得到在特定区域凹陷的方向图。在设计上层人工电磁材料各单元参数时，考虑到入射角度对应的各单元照射相位，将综合得到的相位分布相减照射相位相减即所需的相位。

建立模型并仿真，将入射角度定为天线E面10°与30°，即φ＝90°，θ＝10°，30°，将综合频率定在11GHz，X方向线极化平面波照射，使用相位综合方法，得到散射强烈角度区域凹陷的方向图与对应的综合相位分布。在确定人工电磁材料层参数时，采用的相位分布为综合相位与照射相位之差。

双站RCS的仿真结果见图8和图9，在预定的缩减区域，RCS得到明显降低。斜入射30°时，阵列的辐射特性见图11，损失的增益只有1dB。

Claims (4)

1.一种基于加载人工电磁材料的低RCS相控阵天线，包括下层的阵列天线层、上层的人工电磁材料层、以及中间的支撑结构，

所述人工电磁材料层由周期排列的人工电磁材料大单元组成，每个阵列天线层的天线单元正上方对应一个人工电磁材料大单元，所述人工电磁材料大单元由若干个人工电磁材料小单元组成；

所述阵列天线层为紧耦合天线阵，通过调节馈电实现需要的各单元相位；

所述人工电磁材料大单元满足要求透射率且通过调节单元参数实现需要相移并且不影响周期性。

2.如权利要求1所述的一种基于加载人工电磁材料的低RCS相控阵天线，其特征在于：所述人工电磁材料小单元包括若干层层叠设置的介质基板，以及介质基板上下表面的金属贴片。

3.如权利要求1所述的一种基于加载人工电磁材料的低RCS相控阵天线，其特征在于：所述人工电磁材料小单元上下表面的金属贴片形状相同尺寸不同。

4.如权利要求1所述的一种基于加载人工电磁材料的低RCS相控阵天线，其特征在于：所述人工电磁材料小单元每两层介质基板与一层金属贴片间隔设置。

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