CN110085975A - 基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵 - Google Patents

基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，该阵列的整个天线结构进行了共形化处理，它在0.5‑2GHz的宽频带内实现了组阵方向的±45°扫描，相较于传统的平面超宽带相控阵，在天线的工作频带内外具有显著的低散射特性。整个天线结构主要包括:天线辐射单元的同轴馈电结构；用于连接天线辐射贴片与馈电结构的渐变线巴伦；与飞行载体共形的金属地板；位于金属地板上的寄生金属块；用于支撑整个相控阵天线辐射结构的共形介质基板；基于强耦合效应的相连长槽共形辐射贴片；用于支撑阻性电磁超材料的共形介质基板；具有超宽带电磁波吸波作用的圆形阻性电磁超材料；天线辐射单元两侧的寄生开槽。

Description

基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，尤其涉及超宽带宽角扫描共形相控天线阵系统，具体来说是一种基于强耦合效应的，共形于局部机翼载体平台的，具有低散射特性的超宽带宽角扫描的相控天线阵。特别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飞行载体平台。
背景技术
随着现代电子信息技术的日渐发展，尤其是军用电子对天线性能的愈发严苛，传统的机械扫描天线已经难以满足需求。由于电扫描相控阵具有波束扫描快，多目标探测，以及远距离探测等等优势，因此相控阵天线越来越受到各国的重视。而在相控阵天线中，具有超宽带宽角扫描性能与低散射特性的相控阵天线尤其受到各国军事力量的重视。现代飞行器的不断发展，其飞行速度越来越快，对自身气动布局的要求越来越高。平面天线阵安装于飞行载体的表面，对其外形影响较大，影响其飞行性能。因此安装于高速飞行器表面的天线需要更小的横截面和更好的贴合性。为了适应这样的需求，将一些天线单元以曲面的形式排布，共形天线阵列与相控阵进行结合，共形相控阵天线便由此诞生。
基于强耦合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。然而Munk等人并没有就强耦合天线技术向共形天线方向进行研究发展，使其仍然停留在平面阵天线层面，平面阵在视场范围、口径效率、散射特性、与载体的外形契合度上都不如共形相控阵。
在共形阵的发展过程中，一些改进的、其他形式的共形阵被相继提出。申请号为201410414085.8的中国专利“共形相控阵雷达结构”中，提出了一种以贴片天线为基本单元，共形于锥台形载体的共形相控阵天线。其天线馈电结构比较复杂，并且为了防止天线单元之间的耦合，其口径效率低于基于强耦合效应的共形相控阵天线。
在申请号为201610441467.9的中国专利“一种低剖面共形天线”中，提出了一种共形于弧形板条的缝隙天线阵，其设计的微带等幅非等相功分器考虑了非平面缝隙阵列到等相位面的相位差，实现了组阵方向上的一维波束扫描。但其采用的天线单元形式本身是一种窄带结构，设计的相对带宽仅为7.6％，难以满足现代相控阵天线超宽带宽角扫描的需求，同时整块的金属背腔结构对天线RCS贡献较大，也难以实现天线的低散射性能。
2016年一篇发表在IEEE上的文章“Broadband Antenna Array Aperture Made ofTightly Couple Printed Dipoles”提出了一种基于强耦合效应的共口径相控阵天线，该天线在1.2-6GHz内在偶极子E面实现了60°扫描，且驻波在3以下。但该天线的馈电结构与偶极子均竖直放置，这极大的增加了天线的剖面高度，且天线单元并没有使用与载体外形相符的共形设计，其仅仅是在馈电布局上与载体外形契合，因此并不是完全意义上的共形相控天线阵。
在申请号201710515792.X的中国专利“一种强互耦超宽带宽角扫描双极化共形相控阵天线”中，提出了一种采用新型耦合的偶极子，共形于锥台载体上，实现了超宽带宽角扫描的共形相控阵天线。其天线单元采用的是强耦合超宽带平面天线阵单元，并没有在共形环境下重新设计，整个相控阵天线所共形的锥台载体曲率较小，并且未就共形相控阵的散射特性进行分析与对比，没有体现出相控阵共形于复杂载体平台上所具有的低散射特性。
基于以上应用需求，本发明提出一种基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵。
发明内容
本发明基于上述背景而实现，在平面开槽阵列天线的基础上进一步提出了一种贴合于实际飞行器局部机翼载体的，基于强耦合效应且具有低散射特性的超宽带共形相控阵。该天线阵能够在4：1个倍频内实现组阵方向上的±45°扫描，通过加载在共形环境下设计的阻性电磁吸波超材料，在不影响天线自身辐射性能的前提下，能够在宽频带范围内进一步降低天线自身的带外RCS。
本发明将基于强耦合效应的磁偶极子与共形阵相结合，得出了新的共形相控阵，提出的技术方案如下：使用印刷在共形介质板上的基于强耦合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组阵方向上形成强耦合，从而在宽频带内实现较好的扫描驻波。中心部分两个天线单元作为辐射结构，采用了平衡馈电的渐变线巴伦结构，该巴伦能在超宽频带内保持稳定的传输特性，而又不增大天线剖面高度。两侧两个天线单元作为哑元，端口焊接130欧姆匹配电阻，用于改善辐射单元在小阵列环境下的截断效应。采用泡沫支撑位于天线辐射贴片层上方的一层薄共形介质层，介质层的上方加载了用于缩减天线带外RCS的阻性贴片。对整个天线结构进行了共形化处理，从最底端的金属地板到最上层的阻性电磁吸波超材料，都以机翼局部为载体，进行了共形处理，使之能更好的与共形载体契合。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：天线辐射单元的同轴馈电结构(1)；用于连接天线辐射贴片与馈电结构的渐变线巴伦(2)；与飞行载体共形的金属地板(3)；位于金属地板上的寄生金属块(4)；用于支撑整个相控阵天线辐射结构的共形介质基板(5)；基于强耦合效应的相连长槽共形辐射贴片(6)；用于支撑阻性电磁超材料的共形介质基板(7)；具有超宽带电磁波吸波作用的圆形阻性电磁超材料(8)；天线辐射单元两侧的寄生开槽(9)。
本发明的创新之处在于：一、采用了基于强耦合效应的磁偶极子作为天线辐射单元，与传统的窄带共形天线相比，显著提升了共形环境下相控阵超宽带宽角扫描特性。二、对整个天线结构进行了共形化处理，从最底端的金属地板到最上层的阻性电磁吸波超材料，都以局部机翼为载体，进行了共形处理，使得整个天线结构不会影响到飞机机翼的气动性能，并且节省了机翼内部的大量空间，实现了天线系统的小型化。三、在金属地板上加载了寄生金属块，进而改善了地板上半空间的电场分布，拓展了天线低频扫描带宽，同时对高频辐射方向图前后比有显著改善。四、相较于传统的平面超宽带相控阵天线系统，共形于机翼载体表面的相控阵能够将入射电磁波能量向空间的不同方向散射，显著地降低了天线系统的RCS，提高了天线的隐身性能。五、在天线辐射贴片层上加载了共形的新型阻性电磁超材料，该电磁超材料具有频率选择特性，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，从而进一步降低了天线RCS，同时保证天线在工作频带内自身的辐射性能不受影响。
综上所述，本发明的有益之处是：提出了一种基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，对整个天线结构进行了共形化处理，它在0.5-2GHz的宽频带内实现了组阵方向上±45°扫描，同时在天线的工作频带内外，相较于传统的平面超宽带相控阵具有显著的低散射特性。
附图说明
图1为基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵的立体图。该图所示的天线阵列为1×18大小。
图2为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的机翼载低散射超宽带共形相控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：天线辐射单元的同轴馈电结构(1)；用于连接天线辐射贴片与馈电结构的渐变线巴伦(2)；与飞行载体共形的金属地板(3)；位于金属地板上的寄生金属块(4)；用于支撑整个相控阵天线辐射结构的共形介质基板(5)；基于强耦合效应的相连长槽共形辐射贴片(6)；用于支撑阻性电磁超材料的共形介质基板(7)；具有超宽带电磁波吸波作用的圆形阻性电磁超材料(8)；天线辐射单元两侧的寄生开槽(9)。
图3为具体实施例中的天线单元在0.5-2GHz频带内H面0-45°扫描时的驻波比。
图4为具体实施例中的天线单元在0.5-2GHz频带内主极化与交叉极化增益对比图。
图5(a)-图5(c)为具体实施例时，天线在H面的扫描辐射方向图；其中，图5(a)为具体实施例在未扫描下的H面辐射方向图；图5(b)为具体实施例在扫描至30°时的H面辐射方向图；图5(c)为具体实施例在扫描至45°时的H面辐射方向图。
图6为具体实施例与参考天线(一款具有相同工作频带、扫描角、孔径面积的Vivaldi天线阵列)在工作频带内同极化波垂直入射时的单站RCS比较图。
图7为具体实施例与参考天线(一款具有相同工作频带、扫描角、孔径面积的Vivaldi天线阵列)在工作频带内交叉极化波垂直入射时的单站RCS对比图。
图8为具体实施例与参考天线(一款具有相同工作频带、扫描角、孔径面积的Vivaldi天线阵列)在工作频带外同极化波垂直入射时的单站RCS对比图。
图9为具体实施例与参考天线(一款具有相同工作频带、扫描角、孔径面积的Vivaldi天线阵列)在工作频带外交叉极化波垂直入射时的单站RCS对比图。
具体实施方案
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白，结合以下具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
参照图1至图2，本发明的实施例由一层印刷有共形长槽单元的周期结构构成，采用一维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：天线辐射单元的同轴馈电结构(1)；用于连接天线辐射贴片与馈电结构的渐变线巴伦(2)；与飞行载体共形的金属地板(3)；位于金属地板上的寄生金属块(4)；用于支撑整个相控阵天线辐射结构的共形介质基板(5)；基于强耦合效应的相连长槽共形辐射贴片(6)；用于支撑阻性电磁超材料的共形介质基板(7)；具有超宽带电磁波吸波作用的圆形阻性电磁超材料(8)；天线辐射单元两侧的寄生开槽(9)。
图3至图4给出了本实施例在扫描时的驻波比特性和辐射特性。其中从图3可见，本实施例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H面±45°扫描时驻波比小于3.0。从图4可见，实施例的基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵在0.5-2GHz频段交叉极化大于50dB,其中低频交叉极化大于70dB,具有良好的交叉极化特性。
考虑到现有仿真硬件设施条件，本实施例中阵列天线的辐射方向图及其RCS是采用电磁仿真中针对相控阵天线的单元分析法，在周期边界条件下组成1*18的阵列来仿真模拟的。
图5(a)-图5(c)给出了1*18的阵列的辐射方向图；从图中可以看出，该天线阵列在H面的不同扫描角度上都具有稳定的波束指向与良好的交叉极化特性，说明本实施例在扫描时的辐射性能良好。
图6和图7分别给出了具体实施例以及参考天线阵在不同极化波垂直入射时的带内单站RCS对比图。在带内同极化波垂直入射时，天线散射中的模式散射项与结构散射项同时发挥作用，本实施例在工作频带内的大多数频点相对于参考天线的RCS更低；在带内交叉极化波垂直入射时，入射波的部分电磁能量不再在天线端口吸收，此时天线的结构散射项起主导作用，本实施例在整个工作频带内相对于参考天线的RCS更低。可见，本实施例研制的相控阵在自身工作频带内具有良好的低散射特性。
图8和图9分别给出了具体实施例以及参考天线阵在不同极化波垂直入射时的带外单站RCS对比图。在带外电磁波垂直入射时，相较于传统的平面超宽带相控阵，本实施例能够将入射的电磁波能量向空间的不同方向散射，从而显著降低了共形相控阵的RCS。同时，加载在天线辐射贴片层上的共形新型阻性电磁超材料，在天线工作频带外的宽带范围内将入射的电磁波能量吸收，进一步地有效降低了本实施例的带外RCS。可见，按具体实施例研制的强耦合机翼载低散射超宽带共形相控阵在整个宽频带下都具有良好的低散射特性。
本实施实例中，天线阵列为由图2所示周期单元组成的1×18阵列。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实施例，应该理解其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做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 (5)

1.基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，它包括:天线辐射单元的同轴馈电结构(1)；用于连接天线辐射贴片与馈电结构的渐变线巴伦(2)；与飞行载体共形的金属地板(3)；位于金属地板上的寄生金属块(4)；用于支撑整个相控阵天线辐射结构的共形介质基板(5)；基于强耦合效应的相连长槽共形辐射贴片(6)；用于支撑阻性电磁超材料的共形介质基板(7)；具有超宽带电磁波吸波作用的圆形阻性电磁超材料(8)；天线辐射单元两侧的寄生开槽(9)。
2.根据权利要求1所述的基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，其特征在于将整个相控阵天线结构共形于近似飞行器机翼局部载体表面，采用了在共形环境下设计的基于强耦合效应的相连长槽单元，同时通过增大天线单元两侧的寄生开槽等措施来增强天线组阵方向上的耦合，从而实现了天线阵的超宽带宽角扫描特性。
3.根据权利要求1所述的基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，其特征还在于金属地板上加载了寄生金属块，进而改善了地板上半空间的辐射电场分布；这种措施对天线低频工作带宽拓展有明显效果，同时对高频辐射方向图前后比有显著改善。
4.根据权利要求1所述的基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，其特征还在于相较于传统的平面超宽带相控阵，共形于机翼载体表面的相控阵能够将入射电磁波能量向不同方向散射，从而显著降低了相控阵的RCS，提高了天线的隐身性能。
5.根据权利要求1所述的基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，其特征还在于在天线辐射层上加载了共形的新型阻性电磁超材料；该电磁超材料具有频率选择特性，能在天线工作频带外的宽带范围内将入射的电磁波吸收，从而进一步有效降低了天线RCS，同时保证天线在工作频带内自身的辐射性能不受影响。
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