CN109950704B - 一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内rcs控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线工程技术领域，公开了一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法。本发明主要基于阵列综合思想中的馈电相位优化的方法，在强耦合宽带相控阵天线各个单元端口与馈电网络之间接入一组不等长传输延时线，以这组传输延时线的移相相位为优化变量，同时对阵列的辐射性能和散射性能进行优化，最终在辐射特性保持良好的前提下，实现强耦合宽带相控阵天线带内RCS缩减。本发明解决了在阵元之间存在故意增强的耦合效应时宽带相控阵天线的带内RCS缩减的难题，所提出的方法对于具有宽带特性的相控阵天线带内任意频点处辐射性能保持良好的前提下实现带内RCS的有效控制具有非常好的普适性。

Description

一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法。

背景技术

相控阵天线由于具有波束扫描速度快、跟踪精度高及抗干扰能力强等优点，是现代雷达系统的主要天线类型，也是新一代作战平台无线电子系统不可或缺的天线形式。随着现代作战平台高度集成化的要求，相控阵天线技术正朝着宽带化设计的方向发展，以适应集电子侦查、电子干扰、雷达探测、无线通信等多功能为一体的一体化电子系统。

传统的宽带相控阵天线设计一般都是基于“先宽带单元再组阵”的思想，阵元间的耦合效应被视为不利因素，该设计方法在拓展相控阵天线的带宽效果上十分有限。近十余年来，国际天线研究领域涌现出了一种基于强耦合效应的宽带相控阵天线设计新技术。该设计思想与传统的宽带天线阵设计思想完全不同，主要体现在阵元间的耦合效应作为有利因素被故意加强了，而不是设法去减小或补偿耦合效应，使原来为离散分布的阵列形式变成类似于连续分布的“电流层”，且这种“电流层”各馈电节点处的输入阻抗特性随频率变缓，进而实现天线阵的宽带特性。

为同时应对现代作战载体平台(如飞机、导弹、舰艇等)高度隐身化的需求，相控阵天线作为隐身载体平台必不可少的部件，越来越要求其具备较低的RCS(radar crosssection，雷达散射截面)特性，以提升我方作战武器设备的生存能力。目前大多数关于天线RCS缩减的技术研究主要集中在微带、波导缝隙、开槽等单天线，并提出了诸多有效的方法，总结起来主要包括以下几种思路：1)改变天线的外形或宽带阻抗匹配或阻抗加载技术来降低RCS；2)在不影响天线正常辐射的结构处加载吸波材料吸收掉入射波能量，从而减小天线散射；3)使用频率、极化等选择性天线罩、反射板，滤掉或反射处于威胁频域或极化条件下的入射波，进而控制天线RCS；4)应用新型人工材料(如电磁带隙结构EBG、人工磁导体AMC等)对消后向散射波来降低RCS。

一般来说，单天线的RCS缩减技术理论上也适用于阵列天线，不过由于阵列天线体积较大、结构复杂，这些技术具体实施起来将受到限制。通过调整阵元布局来实现阵列天线的RCS缩减也是近年来兴起的一种新方法，例如在专利号为CN201610038643的专利中提出了一种通过阵元绕馈电点随机旋转的方法实现相控阵天线带内RCS缩减的方法，利用阵元随机旋转产生随机散射相位，使得不同阵元的散射场无法在一个主瓣区域内同相叠加，而是会分散到更广的角度域空间，从而降低阵列天线的RCS。同时，对于辐射情形，通过阵元激励的相位补偿仍可使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。但是该专利没有披露此方法仅适用于天线单元极化形式为圆极化的事实，否则阵元随机旋转必会改变各个阵元的极化状态，导致不同阵元叠加后阵列辐射性能产生恶化。此外，该设计方法仅对窄带相控阵天线有效，不能用于宽带相控阵天线RCS缩减。在专利号为CN201810738594的专利中提供了一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，相控阵天线的每个阵元包括三种不同的极化方式，在相控阵天线辐射时，所有阵元处于相同的极化方式，形成统一极化阵列，当相控阵天线辐射结束后，使各个阵元的极化方式随机分布，形成随机极化阵列，从而能够做到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。该方法将辐射与散射状态下阵列单元的极化状态分别独立开来设定，每个阵列单元都需要通过PIN二极管的开断进行控制，还需要额外增加控制阵元极化方式的外部控制处理器，加大了系统复杂度，另外，该设计方法在天线形式的选择以及宽带相控阵应用上也存在较大的局限性。为了对带内RCS进行控制，2011年，西安电子科技大学的王文涛博士在其博士论文“天线雷达散射截面分析与控制方法研究”中提出了一种关于对称振子阵列天线模式项RCS的减缩方法，但是他在整个设计过程中没有考虑天线单元间的耦合效应，也没有给出实现宽带相控阵天线带内RCS控制的可行性。

不可否认的是，由于天线的辐射性能和低散射性能往往是一对难以调和的矛盾，这些技术手段难以用于宽带相控阵天线的RCS控制，现阶段关于宽带相控阵天线的RCS控制方法尚处于研究阶段，相关理论与技术也相对匮乏，如何在保证工作频带内相控阵天线的辐射性能基本不变的前提下实现带内RCS有效控制的研究报道极为有限。更一步地，考虑到传统宽带相控阵天线技术面临的挑战，基于强耦合效应的相控阵天线设计新技术在宽带特性上具有天然的优势，因此开展关于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制研究更有助于推动新一代隐身载体平台宽带相控阵天线技术的发展。就现有已公开的针对强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制的技术手段来看，专利申请号分别为CN201810200308和CN201710288813的专利都采用了对强耦合宽带相控阵天线单元本身结构进行处理的方法，试图通过改善带内阻抗匹配特性来降低单元的天线模式项散射进而实现对阵列的带内RCS抑制的目的。由于这种方法仅仅着眼于天线单元层面的散射控制，并没有引入阵列综合的思想，因此不易应用于其它任何结构类型的阵列，通用性较差。

发明内容

鉴于上述背景，本发明的目的在于为克服现有技术的不足，提出一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法。由于强耦合相控阵天线单元之间紧密排布，通过引入强耦合效应以在阵列表面形成均匀连续的电流分布，从而获得超宽带阻抗匹配特性。在这种情况下，采用阵列综合思想中的单元间距优化手段来对强耦合宽带相控阵天线模式项RCS进行综合控制便显得无能为力。为了解决这个困境，本发明提出一种基于阵列综合思想中的馈电相位优化的强耦合宽带相控阵天线模式项RCS控制方法，最终实现强耦合宽带相控阵天线带内RCS缩减。

本发明的技术方案为：一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法，拓扑结构示意图如图1所示，包括以下步骤：

a为强耦合宽带相控阵天线设置N个阵列单元，且单元等间距均匀排布；

b在强耦合宽带相控阵天线各个单元端口与馈电网络/负载之间加载传输延时线，收发参考面取在各单元加入传输延时线的馈电端口处；

c采用综合预估优化方法对传输延时线的移相相位进行优化；

d将优化得到的传输延时线的移相相位转为相应的传输延时线的长度接入到天线馈电端口，各个单元的馈电同轴线长度L_j不等，以模拟不同的馈电相位分布φ_j，特别地，同轴线长度相等时变为均匀馈电；

e利用电磁仿真软件全波仿真(考虑实际阵列的各种影响效应)加载传输延时线后的阵列模型，最终得到准确的散射特性，进而准确评估基于优化馈电相位激励的强耦合宽带相控阵天线的带内实际RCS缩减控制效果。

所述强耦合宽带相控阵天线单元之间紧密排列，单元之间具有故意增强的耦合效应，单元之间的间距不超过半个高频波长。

步骤c中，所述综合预估优化方法在对强耦合宽带相控阵天线进行辐射方向图综合优化时采用的是有源方向图合成法，完全考虑了单元之间的耦合效应。

步骤c中，所述综合预估优化方法在对强耦合宽带相控阵天线进行散射特性综合优化时采用的是基于散射阵因子乘积法，即单元RCS×阵列散射阵因子的预估近似手段。

进一步地，步骤c中，所述采用综合预估优化方法对传输延时线的移相相位进行优化的具体方法为：

对于散射特性的综合，本发明提供的基于传输延时线相位贡献的阵列天线模式项散射场预估表达式为：

式中：上标an代表天线模式项散射场(Antenna Mode Scattered Field)，

为入射波矢量，

为散射波矢量；

为第j个天线单元的位置矢量；ψ_j对应于单元j上加载的传输延时线贡献的相位；

代表单个天线单元的天线模式项散射场。

特别地，对于单站情形，

其中，基于传输延时线相位贡献的阵列天线双站和单站散射场阵因子分别为：

以双站为例，基于传输延时线相位贡献的阵列天线模式项RCS预估表达式为：

(4)式即表明阵列天线模式项RCS可以用单元RCS与阵列散射阵因子乘积的方式进行预估近似。虽然忽略了有限大阵列的边缘截断效应，与真实情况下的结果存在一定的差异，但是可以节省计算量，提高计算效率，对于实现阵列天线散射特性的快速分析具有一定的价值。

对于辐射特性的综合，由于可以很轻易地通过电磁仿真软件提取出每个单元的有源单元辐射方向图，故可采用有源方向图(Active Element Pattern)合成的方法对优化前后的辐射特性进行综合。基于有源方向图合成法得到的阵列总辐射场表达式为：

式中，

是仅对第j个天线单元以单位幅度源激励、其余所有单元接匹配负载条件下的阵列辐射场，即第j个天线单元的有源单元方向图；

包含第j个天线单元的馈电幅度和相位信息。用该方法可以保证得到准确的辐射特性综合结果。

总体说来，本发明总的技术方案为：主要采用在强耦合宽带相控阵天线各个单元端口与馈电网络之间接入一组不等长传输延时线的方法人为地增加阵列辐射状态与天线模式项散射状态之间的差异，结合(4)式和(5)式分别关于散射特性和辐射特性的综合表达式，以这组传输延时线的移相相位为优化变量，采用优化算法同时对阵列的辐射性能和散射性能进行优化，从而将天线模式项RCS峰值移出阵列最大辐射方向，以实现阵列天线工作频带内指定威胁空域内的散射控制。在优化过程中，为了实现阵列辐射性能与低散射性能的平衡折中，需要合理设定优化目标，才能取得较好的优化效果。最终期望得到在辐射特性不被明显恶化的情况下，实现具有较低RCS的天线阵列。

本发明的创新性在于提出了一种基于馈电相位优化的强耦合宽带相控阵天线模式项RCS控制方法以及加载相应的传输延时线的实际仿真验证方式，通过结合对辐射性能的折中控制，最终在辐射特性保持良好的前提下，实现了强耦合宽带相控阵天线带内RCS缩减。于此同时，本发明具有以下独特之处：

1.利用基于传输延时线相位贡献的阵列天线模式项RCS预估表达式对阵列天线模式项RCS进行预估近似，可以节省计算量，提高计算效率，对于实现阵列天线散射特性的快速分析具有一定的价值；

2.以基于强耦合效应的宽带相控阵天线形式为对象，必须考虑阵元之间故意增强的耦合效应，采用有源方向图合成的方法对辐射方向图进行综合，而不是方向图乘积法的近似处理；

3.在优化目标函数中纳入考虑馈电激励相位后会导致的有源反射系数变化的因素，对阵列各个单元的有源反射系数加以控制，确保阵列辐射性能不会发生显著恶化；

4.利用电磁仿真软件全波仿真加载传输延时线后的实际阵列的RCS特性，仿真结果证实本发明提出的方法对宽带带内RCS控制效果明显；

5.本发明提供的方法对全频段范围内任意频点处辐射性能保持良好的前提下实现带内RCS的有效控制具有非常好的普适性。

本发明的有益效果为：本发明能够在保证阵列辐射性能基本不被明显恶化的情况下显著实现对强耦合宽带相控阵天线的带内RCS缩减。与现有技术相比，本发明解决了在阵元之间存在故意增强的耦合效应时宽带相控阵天线的带内RCS缩减的难题，所提出的方法对于具有宽带特性的相控阵天线带内任意频点处辐射性能保持良好的前提下实现带内RCS的有效控制具有非常好的普适性。优化得到的馈电相位在实际应用时可以直接配合阵列后端T/R组件的调节，并不需要真正的传输延时线，故本发明更容易设计、更容易实现、更加灵活高效，也更符合实际相控阵应用场合。

附图说明

图1为本发明的技术方案拓扑示意图；

图2为本发明提供的具体实施方式中的工作于X波段的1×16有限大强耦合宽带相控阵天线阵列模型示意图；

图3为本发明提供的具体实施方式中的工作于X波段的强耦合宽带相控阵天线单元模型示意图；

图4为实施例1中优化得到的移相相位分布图；

图5为实施例1中接入优化传输延时线后的1x16有限大强耦合宽带相控阵天线阵列模型示意图；

图6为实施例1中优化前后阵列天线各个单元有源反射系数性能对比图；

图7为实施例1中优化前后阵列天线辐射性能结果对比图；

图8为实施例1中均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列双站天线模式项RCS实际全波仿真性能对比图；

图9为实施例1中均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列总双站RCS全波仿真结果对比图；

图10为实施例1中在同极化波垂直入射下均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列扫频天线模式项RCS全波仿真结果对比图；

图11为实施例1中在同极化波垂直入射下均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列扫频总RCS全波仿真结果对比图；

图12为实施例2中优化得到的移相相位分布图；

图13为实施例2中优化前后阵列天线的辐射性能结果对比图；

图14为实施例2中优化前后阵列天线的散射性能结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

如图2和图3所示，以一个工作于X波段的强耦合宽带相控阵天线为例，其天线阵列1由N个强耦合宽带相控阵天线单元2组成，其中N是阵元个数，当然，不限定于图2所示的1×16个阵元，甚至可以是平面阵排布形式。所述的强耦合宽带相控阵天线单元2沿着天线主极化方向，即y方向等间距均匀排布，间距为d_y，d_y不超过λ/2(λ为相应的高频波长)，所述强耦合宽带相控阵天线单元2之间紧密排列，单元之间具有故意增强的耦合效应。所述强耦合宽带相控阵天线单元2的具体结构取自专利申请号为CN201710237335的专利。需要提及的是，在具体实施方式中，图2和图3所示的强耦合宽带相控阵天线单元模型仅仅作为一种示例，并不只限定于该阵元结构，熟悉本领域的工程技术人员可以根据实际需要采用任何其它形式的相控阵单元替代。为了对该强耦合宽带相控阵天线的带内RCS进行控制，通过在强耦合宽带相控阵天线各个单元端口与馈电网络/负载之间加载传输延时线3，以这组传输延时线的移相相位[ψ₁,ψ₂,…,ψ₁₆]为优化变量，采用综合预估优化方法联合差分进化算法(当然，不限定于该算法，熟悉本领域的工程技术人员可以根据实际需要选择任何其它智能优化算法)同时对阵列的辐射性能和散射性能进行优化，从而将天线模式项RCS峰值移出阵列最大辐射方向，以实现阵列天线工作频带内指定威胁空域内的散射控制。为减轻在优化过程中可能对辐射性能造成的不利影响，设定优化目标函数为：

其中，θ₀和θ_0d分别表示计算的和期望的最大辐射方向；θ_BWFN和θ_BWFNd分别表示计算的和期望的辐射方向图两个第一零点之间的主瓣波束宽度；SLL和SLL_d分别表示计算的和期望的最大副瓣；Γ和Γ_d分别表示计算的和期望的最大有源反射系数；σ_an表示计算的阵列天线模式项RCS；w₁，w₂，w₃，w₄，和w₅分别为各项的加权系数。为实现对阵列辐射性能与低散射性能的平衡折中，需要合理设定优化目标，才能取得较好的优化效果。

实施例1：1×16有限大强耦合宽带相控阵天线双站RCS控制

具体地，考虑中心频率10GHz处，θ极化入射波沿

θ＝0°方向照射到阵列天线1上时，优化控制以双站角[-20°，20°]为主要威胁角域的阵列天线模式项RCS和总RCS。最终优化得到的移相相位分布如图4所示。将优化得到的移相相位转为相应的传输延时线3的长度接入到天线馈电端口，各个单元的馈电同轴线长度L_j不等，以模拟不同的馈电相位分布φ_j，全波仿真模型如图5所示。特别地，同轴线长度相等时变为均匀馈电，等效于不加传输延时线的均匀馈电相位阵列。通过电磁仿真软件全波仿真加载传输延时线前后的阵列模型，可以得到准确的辐射和散射特性，进而准确评估基于优化馈电相位激励的强耦合宽带相控阵天线的带内实际RCS缩减效果。

图6给出了优化前后阵列天线各个单元有源反射系数性能对比，可见有源反射系数及辐射特性的保持和天线散射的抑制是一个平衡折中过程，为了尽量实现对RCS的抑制，必须在一定程度上牺牲阵列辐射性能，所以无法将各个单元的有源反射系数均控制在较低水平。图7给出了优化前后阵列天线辐射性能结果对比，可见优化馈电相位阵列与均匀馈电相位阵列的最大辐射方向、最大副瓣电平、主瓣宽度基本上保持不变，但是优化馈电相位阵列增益损失为1.5dB。这说明为了取得阵列辐射性能与低散射性能的平衡折中，尽量实现对RCS的良好控制，在一定程度上适当牺牲阵列辐射性能是必要的。图8给出了均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列双站天线模式项RCS实际全波仿真性能对比，可见均匀馈电相位阵列的天线模式项RCS最大峰值出现在θ＝0°方向，这与天线最大辐射方向相同。对于飞机等作战载体来说，该方向附近的区域正是最容易被探测雷达截获的空域，也是相控阵天线RCS减缩的关键角域范围。通过接入优化的传输延时线，在θ＝0°方向附近角域内天线模式项散射可以完全得到抑制，最大峰值减缩约7.4dB。图9给出的是均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列总双站RCS全波仿真结果对比，可见均匀馈电相位阵列的总双站RCS最大峰值也出现在θ＝0°方向，优化馈电相位阵列在θ＝0°方向达到RCS最大减缩约11.4dB，并在-30°～30°较宽威胁角域范围内取得了完全散射抑制。图10给出了在同极化波垂直入射下均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列扫频天线模式项RCS全波仿真结果对比，表明在全频域范围内优化馈电相位阵列相比均匀馈电相位阵列可以实现良好的天线模式项RCS减缩，证实了接入优化传输延时线后对阵列天线模式项RCS控制的有效性。图11给出了在同极化波垂直入射下均匀馈电相位阵列与优化馈电相位阵列扫频总RCS全波仿真结果对比，可见在保证阵列辐射性能良好的前提下，优化馈电相位阵列在全频带范围内相比均匀馈电相位阵列可以实现有效的RCS减缩，整体平均缩减达5dB。

实施例2：1×16有限大强耦合宽带相控阵天线单站天线模式项RCS优化综合控制

具体地，考虑中心频率10GHz处，θ极化入射波沿

平面倾斜照射到阵列天线1上时，以单站角[-15°，15°]为威胁角域的阵列天线模式项RCS优化综合问题。最终优化得到的移相相位分布如图12所示，优化前后阵列天线的辐射与散射性能结果对比分别如图13和图14所示。从图13中可见，优化馈电相位阵列的最大辐射方向、最大副瓣电平、主瓣宽度相比于均匀馈电相位阵列基本上保持不变，但是优化馈电相位阵列存在1.5dB的增益损失，和实施例1类似，该增益损失涉及的辐射性能的降低是为了取得低散射性能而作出的折中牺牲。如图14所示，通过优化馈电激励相位分布，使得威胁角域内均匀馈电相位阵列的天线模式项RCS完全被抑制，θ＝0°方向的最大峰值获得了约12dB的减缩；优化馈电相位阵列在威胁角域之外的θ＝-20°和θ＝30°处生成了两个较大的峰值，这说明，基于馈电相位优化后人为造成各个单元的激励相差，可以将天线模式项散射峰值移出优化前设定的威胁角域，进而达到抑制散射的目的。需要说明的是，本实施例给出的优化前后阵列天线模式项RCS是直接采用综合预估方法得到的，只作为一种预估近似手段。为得到准确的散射性能，还需要按照实施例1中的方法将优化得到的移相相位转为相应的传输延时线3的长度接入到天线馈电端口，在电磁仿真软件全波仿真加载传输延时线前后的阵列模型，最终得到实际的散射特性，进而准确评估基于优化馈电相位激励的强耦合宽带相控阵天线模式项RCS缩减能力。

本发明的技术方案尽管是针对基于强耦合效应的宽带相控阵天线提出的，但其应用绝不仅限于此，对于其它任何类型的阵列天线都可采用本发明提出的方法对其带内RCS进行有效控制，同时保持带内辐射性能基本不被恶化。

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具体实施方案的优选实施方式的描述，应当指出，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。对于本领域的工程技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，据此发明的中心思想结合具体问题还可以做出具体的操作实施、若干改进和润饰，自然也可以据以上所述对实施方案做出一系列的变更。上述这些内容也应被视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法，该方法是一种基于馈电相位优化的强耦合宽带相控阵天线模式项RCS控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取强耦合宽带相控阵天线单元的天线模式项散射场

步骤2：为强耦合宽带相控阵天线设置N个阵列单元，且单元等间距均匀排布，单元之间存在故意增强的耦合效应，在强耦合宽带相控阵天线各个单元端口与馈电网络/负载之间加载传输延时线；

步骤3：利用散射场预估公式对于阵列散射特性进行综合，基于传输延时线相位贡献的阵列天线模式项散射场预估表达式为

式中，

为入射波矢量，

为散射波矢量；

为第j个天线单元的位置矢量；ψ_j对应于单元j上加载的传输延时线贡献的相位；

步骤4：基于有源方向图合成法得到的阵列总辐射场表达式对加载传输延时线后阵列的辐射特性进行综合，表达式如下

式中，

是仅对第j个天线单元以单位幅度源激励、其余所有单元接匹配负载条件下的阵列辐射场，即第j个天线单元的有源单元方向图；

包含第j个天线单元的馈电幅度和相位信息；

步骤5：采用综合预估优化方法对传输延时线的移相相位进行优化；

步骤6：优化得到的传输延时线的移相相位转为相应的传输延时线的长度接入到天线馈电端口，各个单元的馈电同轴线长度L_j不等，以模拟不同的馈电相位分布φ_j；

步骤7：利用电磁仿真软件全波仿真加载传输延时线后的阵列模型，最终得到准确的散射特性，进而准确评估基于优化馈电相位激励的强耦合宽带相控阵天线的带内实际RCS缩减控制效果。

2.根据权利要求1所述的一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法，其特征在于：该方法对于具有宽带特性的相控阵天线带内任意频点处，在辐射性能保持良好的前提下能够实现带内RCS的有效控制。

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