CN110854544B - 一种低rcs的相控阵天线及rcs缩减方法 - Google Patents

一种低rcs的相控阵天线及rcs缩减方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低RCS的相控阵天线及其RCS缩减的方法，天线单元包括四层结构：辐射贴片层、十字形馈电结构层、地板层、直流馈电层，相邻两层之间通过介质基板隔开；通过控制PIN二极管的通断实现天线圆极化模式的切换以及天线馈电点的切换，从而达到天线单元在水平方位的等效旋转的效果，由此实现天线单元散射场得到2倍旋转角的相位差，即180°；天线单元散射场在远场抵消，并分散到更广的角域空间，从而降低阵列天线的RCS，本发明直接对各天线单元的散射相位加以控制，使各阵元散射场无法相干叠加或将其反射至无威胁角度，以此来降低阵列RCS。

Description

一种低RCS的相控阵天线及RCS缩减方法
技术领域
本发明涉及相控阵设计领域，特别针对相控阵天线的RCS缩减提出一种有效方法。
背景技术
在当今高科技信息化战争中,隐身设计作为重要组成部分,对未来武器装备的生存力和作战效能有着重要而深远的意义。防敌伪装是军用雷达和装备设计中最重要的问题之一，在电磁波频段，物体的隐身性能由其雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)这一指标来表征。RCS越小，敌人就越容易被隐藏。基于伪装的目的，可以在弹药体内使用吸附剂材料，或者对其物理结构进行改造，达到辐射波偏移的效果，使敌方雷达无法探测到。
相控阵天线作为辐射器在军事装备中是不可或缺的。由于天线通常对平台的总RCS贡献很大，因此，相控阵天线RCS缩减的问题对于尽快保障装备的安全至关重要。值得指出的是，RCS缩减的过程不应恶化天线的辐射特性。近年来，研究学者提出了多种方法来获得低RCS天线设计，通常采用四种方法来降低目标的RCS。第一种方法是采用频率选择性表面、阻抗器件或者电磁吸波材料，能够吸收电磁波并将电磁波能量转化为热能。然而，雷达吸收的宽带阻抗匹配很难实现并且易被红外探测装置发现。第二种方法是改变目标的外形，通过对天线进行整形，使电磁散射偏离入射方向，减小源方向的散射场，但这可能破坏气动布局，增加形状设计的复杂性。第三种方法是电子措施对抗，利用目标以外的设备，通过干扰、欺骗等方式人为的形成多个假目标，吸引敌方雷达的注意，从而实现我方真实目标的隐身。最后一种方法是基于远场抵消原理设计由人工磁导体(AMC)组成的棋盘结构。例如，由AMC和导电体(PEC)的组合提供了两种相位相反的散射场，每个部分的贡献抵消了在远场的后向垂直入射。作为一种有效的矢量场抑制方法，在电磁学、光学、声学等领域得到了广泛的应用。
对于相控阵来说，当电磁波入射到天线单元，辐射贴片表面所产生的反射波是不可忽略的，如何操控相控阵单元的散射波相位，使相控阵天线满足较低的RCS，是目前研究的重点和难点。因此,为提高天线的隐身性能,在保证天线辐射特性不变的前提下,寻求实现带内低散射的控制方法极为迫切。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低RCS的相控阵天线及利用该天线的相控阵天线的RCS缩减方法。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种低RCS的相控阵天线，包括四层结构：辐射贴片层1、十字形馈电结构层2、地板层3、直流馈电层4，相邻两层之间通过介质基板5隔开；
相控阵天线包括多个天线单元，每个天线单元包括主辐射贴片6，每个辐射贴片上设有4个扰动切角7，主辐射贴片和扰动切角之间通过PIN二极管连接，通过控制PIN二极管的通断实现天线圆极化模式的切换以及天线馈电点的切换；
十字形馈电结构层包括四个水平条带9，每个水平条带9下方连接一个垂直柱10，四个水平条带在水平方向两两正交设置，相邻两个水平条带的夹角为90°，每个水平条带和一个垂直柱连接构成一个L型馈电柱11。
作为优选方式，辐射贴片层和十字形馈电结构层之间的介质基板、十字形馈电结构层和地板层之间的介质基板为罗杰斯4350B基板，厚度为0.762mm。
作为优选方式，地板层和直流馈电层之间的介质基板是FR4基板。
作为优选方式，设相控阵天线包含Nx×Ny个天线单元，则相应具有Nx×Ny个馈电点，将所述的Nx×Ny个馈电点以矩形栅格状规则排布：水平方向上相邻2个馈电点之间的间距为dx，垂直方向上相邻2个馈电点之间的间距为dy；
通过直流电控制天线单元上的PIN二极管，天线馈电位置旋转角度为
Figure BDA0002296353320000021
天线单元的散射场相位滞后或延迟2φn。
作为优选方式，PIN二极管分为两组：
D#5～D#8为第一组，用于极化控制，使天线的圆极化模式随着馈电位置的旋转而改变；
D#1～D#4为第二组，用于馈电位置控制，同轴电缆通过三层介质基板和D#1～D#4PIN二极管与L型馈电柱连接，实现不同方向上的信号通路。
对于圆极化工作模式，假设馈电点位置为D#2，即D#2打开，D#1，D#3和D#4关闭；对于顶层辐射贴片上的PIN二极管，在D#5断开且D#6～D#8接通的情况下，通过去除位于右下角位置的方形切角来激发左旋圆极化LHCP模式；相反，当D#6处于关闭状态且其他二极管处于导通状态时，只有右上角的方形切角不工作，结果能激发右旋圆极化RHCP波；由于结构的旋转对称性，圆极化工作模式能通过选择不同的馈电点进行调整。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种相控阵天线的RCS缩减方法，天线作为辐射体正常辐射电磁波；当相控阵不工作时，天线单元接50Ω匹配负载，通过控制PIN二极管的通断实现天线圆极化模式的切换以及天线馈电点的切换从而实现天线在水平方位的等效旋转，由此天线单元散射场得到2倍旋转角的相位差，即180°；散射场在远场抵消，并分散到更广的角域空间，从而降低阵列天线的RCS。
作为优选方式，所述的相控阵天线的RCS缩减方法利用上述任意一项的低RCS的相控阵天线来实现。
本发明总的技术方案，主要为通过阵元旋转的方法实现对散射相位的有效控制。利用阵元旋转产生180°反相相位差，使得不同阵元的散射场无法在一个主瓣区域内同相叠加，而是会在远场抵消并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，可以通过直流控制电路实现天线的同相激励，并连接后端的T/R组件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。
本发明的优势在于，目前国内外已有的同类研究方法中，大多只注重天线单元或小规模阵列的散射特性研究，而对于大规模相控阵天线的RCS缩减研究较少。本发明拟直接对各天线单元的散射相位加以控制，使各阵元散射场无法相干叠加或将其反射至无威胁角度，以此来降低阵列RCS。
附图说明
图1是本发明的相控阵天线结构示意图；
图2是本发明的相控阵天线阵元结构示意图；其中图2(a)为俯视图，图2(b)为侧视图；
图3是图1所示天线的一种散射相位排布(NR)示意图；
图4是图1所示天线的一种散射相位排布(CR)示意图；
图5是图1所示天线的一种散射相位排布(RR)示意图；
图6(a)-(c)分别表示图3-图5所示天线的双站RCS性能仿真结果三维示意图，图6(d)表示图3-图5所示天线在
Figure BDA0002296353320000031
方位面上的双站RCS仿真结果图；其中，入射波角度
Figure BDA0002296353320000032
入射波极化方式为右旋圆极化；
图7(a)-(c)分别表示图3-图5所示天线的双站RCS性能仿真结果三维示意图，图7(d)表示图3-图5所示天线在
Figure BDA0002296353320000033
方位面上的双站RCS仿真结果图；其中，入射波角度
Figure BDA0002296353320000034
入射波极化方式为右旋圆极化；
图8(a)-(c)分别表示图3-图5所示天线的双站RCS性能仿真结果三维示意图，图8(d)表示图3-图5所示天线在
Figure BDA0002296353320000035
方位面上的双站RCS仿真结果图；其中，入射波角度
Figure BDA0002296353320000036
入射波极化方式为线极化。
1为辐射贴片层，2为十字形馈电结构层，3为地板层，4为直流馈电层，5为介质基板，6为主辐射贴片，7为扰动切角，8为PIN二极管，9为水平带，10为垂直柱，11为L型馈电柱，12为SMA接口。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
一种低RCS的相控阵天线，包括四层结构：辐射贴片层1、十字形馈电结构层2、地板层3、直流馈电层4，相邻两层之间通过介质基板5隔开；
相控阵天线包括多个天线单元，每个天线单元包括主辐射贴片6，每个辐射贴片上设有4个扰动切角7，主辐射贴片和扰动切角之间通过PIN二极管连接，通过控制PIN二极管的通断实现天线圆极化模式的切换以及天线馈电点的切换；
十字形馈电结构层包括四个水平条带9，每个水平条带9下方连接一个垂直柱10，四个水平条带在水平方向两两正交设置，相邻两个水平条带的夹角为90°，每个水平条带和一个垂直柱连接构成一个L型馈电柱11。
优选的，辐射贴片层和十字形馈电结构层之间的介质基板、十字形馈电结构层和地板层之间的介质基板为罗杰斯4350B基板，厚度为0.762mm。
优选的，地板层和直流馈电层之间的介质基板是FR4基板。
设相控阵天线包含Nx×Ny个天线单元，则相应具有Nx×Ny个馈电点，将所述的Nx×Ny个馈电点以矩形栅格状规则排布：水平方向上相邻2个馈电点之间的间距为dx，垂直方向上相邻2个馈电点之间的间距为dy；
通过直流电控制天线单元上的PIN二极管，天线馈电位置旋转角度为
Figure BDA0002296353320000041
天线单元的散射场相位滞后或延迟2φn。
优选的，PIN二极管分为两组，
D#5～D#8为第一组，用于极化控制，使天线的圆极化模式随着馈电位置的旋转而改变；
D#1～D#4为第二组，用于馈电位置控制，同轴电缆通过三层介质基板和D#1～D#4PIN二极管与L型馈电柱连接，实现不同方向上的信号通路。
对于圆极化工作模式，假设馈电点位置为D#2，即D#2打开，D#1，D#3和D#4关闭；对于顶层辐射贴片上的PIN二极管，在D#5断开且D#6～D#8接通的情况下，通过去除位于右下角位置的方形切角来激发左旋圆极化LHCP模式；相反，当D#6处于关闭状态且其他二极管处于导通状态时，只有右上角的方形切角不工作，结果能激发右旋圆极化RHCP波；由于结构的旋转对称性，圆极化工作模式能通过选择不同的馈电点进行调整。
本实施例还提供一种相控阵天线的RCS缩减方法，利用上述的天线单元来实现。
天线作为辐射体正常辐射电磁波；当相控阵不工作时，天线单元接50Ω匹配负载，通过控制PIN二极管的通断实现天线圆极化模式的切换以及天线馈电点的切换从而实现天线在水平方位的等效旋转，由此天线单元散射场得到2倍旋转角的相位差，即180°；散射场在远场抵消，并分散到更广的角域空间，从而降低阵列天线的RCS。
如图1所示，其相控阵天线包括Nx×Ny个散射相位可控的微带天线单元，其中Nx＝Ny＝6。本发明取Nx＝Ny＝6的相控阵作为研究对象，但方法不限定于图1中的6×6个阵元。
如图2所示为基于阵元馈电位置旋转的散射相位可控的微带天线的结构示意图。天线结构由四个主要部分组成。首先，顶层为含两对方形扰动切角的辐射贴片，其构建在介质基板罗杰斯4350B上，厚度为0.762mm。在罗杰斯基板的底层，印刷着一个可重构的十字形馈电结构，该结构由四个水平条带和垂直支柱构成，类似于L型探针馈电。然后，为了隔离金属地板和馈电网络，在馈电层下方放置一个新的罗杰斯4350B介质基板。最底层的介质基板是FR4。金属地平面和直流偏置电路分别位于FR4的两侧。
本发明提供的散射场相位可控阵列的双站散射场计算如下：
Figure BDA0002296353320000051
其中
Figure BDA0002296353320000052
代表第n个阵元的双站散射场方向图，且
Figure BDA0002296353320000053
其中
Figure BDA0002296353320000054
表示为馈电位置旋转角。
阵列天线的散射在平面波照射下被激励起来的，当馈电位置存在90°相位差时，散射相位将存在180°的相位差。因此，阵列天线的散射场能量将不会在主瓣区域内同相叠加，而是在远场实现反相抵消，趋向于将散射场更均匀地分散在整个三维空间。
为了更好地说明本发明技术的效果，本发明还对相控阵的三种散射相位排布的特性进行对比分析；依次为规则阵列NR(图3)，棋盘式分布阵列CR(图4)和随机旋转阵列RR(图5)；其中，0和1代表散射场相位分别为0和π的相控阵单元。相控阵天线的极化模式选取为左旋圆极化。采用三维电磁仿真软件HFSS对三种不同形式的阵列进行了全波仿真。
图6-图8给出了三种散射相位排布在不同角度的入射波照射下的双站RCS方向图。
对左旋圆极化的天线，右旋圆极化波入射时有最坏的结果，RCS最高。图6为右旋圆极化垂直入射时的散射特性,其中图(a)-(c)依次为NR、CR和RR阵列的结果。从图中可以在主瓣区域，NR阵列具有最高的RCS峰值(约10dBm2)。与NR阵列相比，CR阵列的RCS降低了15dB；RR阵列的RCS降低了13dB。但是在旁瓣区域，CR阵列会形成4个波束，从而会有4个峰值的出现，RR阵列在主瓣和旁瓣区域均保持相对较低的RCS电平。图7为右旋圆极化45°斜入射时的散射特性。从图中可以看中，NR阵列在-45°会形成一个峰值，约为6.5dBm2，其余两个阵列在-45°上的RCS电平低于-2dBm2，实现约8个dB的缩减。但是CR在其他角度上出现峰值。图8为线极化波垂直入射时的散射特性图。由于部分线极化的入射波分量可以被圆极化天线吸收，与图6的结果对比，线极化波垂直入射产生的散射场有所降低。NR阵列后向RCS峰值最高(大于5dBm2)，在来波方向上，CR和RR阵列呈现较低的RCS。但同样可以观察到，CR阵列在其他角域上散射波同相叠加形成RCS峰值约为0dBm2，而RR阵列的峰值低于-5dBm2，再一次显示了RR阵列可以将散射场能量更均匀的分散到整个角度域空间的性能，使得在整个角域空间上散射场的峰值远小于其他阵列排布的峰值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种低RCS的相控阵天线，其特征在于包括四层结构：辐射贴片层(1)、十字形馈电结构层(2)、地板层(3)、直流馈电层(4)，相邻两层之间通过介质基板(5)隔开；
相控阵天线包括多个天线单元，每个天线单元包括主辐射贴片(6)，每个辐射贴片上设有4个扰动切角(7)，主辐射贴片和扰动切角之间通过PIN二极管连接，通过控制PIN二极管的通断实现天线圆极化模式的切换以及天线馈电点的切换；
十字形馈电结构层包括四个水平条带(9)，每个水平条带(9)下方连接一个垂直柱(10)，四个水平条带在水平方向两两正交设置，相邻两个水平条带的夹角为90°，每个水平条带和一个垂直柱连接构成一个L型馈电柱(11)；
PIN二极管分为两组，
D#5～D#8为第一组，用于极化控制，使天线的圆极化模式随着馈电位置的旋转而改变；
D#1～D#4为第二组，用于馈电位置控制，同轴电缆通过三层介质基板和D#1～D#4PIN二极管与L型馈电柱连接，实现不同方向上的信号通路。
2.根据权利要求1所述的低RCS的相控阵天线，其特征在于：辐射贴片层和十字形馈电结构层之间的介质基板、十字形馈电结构层和地板层之间的介质基板为罗杰斯4350B基板，厚度为0.762mm。
3.根据权利要求1所述的低RCS的相控阵天线，其特征在于：地板层和直流馈电层之间的介质基板是FR4基板。
4.根据权利要求1所述的低RCS的相控阵天线，其特征在于：
设相控阵天线包含Nx×Ny个天线单元，则相应具有Nx×Ny个馈电点，将所述的Nx×Ny个馈电点以矩形栅格状规则排布：水平方向上相邻2个馈电点之间的间距为dx，垂直方向上相邻2个馈电点之间的间距为dy；
通过直流电控制天线单元上的PIN二极管，天线馈电位置旋转角度为
Figure FDA0002961843380000011
天线单元的散射场相位滞后或延迟2φn。
5.根据权利要求1所述的低RCS的相控阵天线，其特征在于：对于圆极化工作模式，假设馈电点位置为D#2，即D#2打开，D#1，D#3和D#4关闭；对于顶层辐射贴片上的PIN二极管，在D#5断开且D#6～D#8接通的情况下，通过去除位于右下角位置的方形切角来激发左旋圆极化LHCP模式；相反，当D#6处于关闭状态且其他二极管处于导通状态时，只有右上角的方形切角不工作，结果能激发右旋圆极化RHCP波；由于结构的旋转对称性，圆极化工作模式能通过选择不同的馈电点进行调整。
6.一种相控阵天线的RCS缩减方法，其特征在于：利用权利要求1至5任意一项所述的低RCS的相控阵天线来实现；天线作为辐射体正常辐射电磁波；当相控阵不工作时，天线单元接50Ω匹配负载，通过控制PIN二极管的通断实现天线圆极化模式的切换以及天线馈电点的切换从而实现天线在水平方位的等效旋转，由此天线单元散射场得到2倍旋转角的相位差，即180°；散射场在远场抵消，并分散到更广的角域空间，从而降低阵列天线的RCS。
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