CN111585051A - 一种紧凑型低rcs超表面天线阵及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型低RCS超表面天线阵及其设计方法，天线阵包括：金属贴片层、中间介质层、金属背板层以及多个同轴金属馈电柱，所述金属贴片层、中间介质层和金属背板层从上至下依次无缝层叠；所述多个同轴金属馈电柱分别贯穿上述的金属贴片层、中间介质层以及金属背板层。本发明通过将两种辐射单元棋盘布阵实现天线整体的散射场相干抵消，并将其分散到无威胁的角度，进而实现天线宽频带的低雷达散射截面的特性。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体指代一种紧凑型低RCS超表面天线阵及其设计方法。
背景技术
在如今高科技电子战中，隐身技术是其中的重要组成部分，对各类武器装备的生存与作战能力有着举足轻重的影响。天线是各类作战平台上重要的一部分，其本身是目标系统中具有强散射特性的结构。因此，有效控制减缩天线的雷达散射截面(Radar CrossSection，RCS)成为设计低可探测性的雷达系统的关键。
超表面是一种具有亚波长结构的金属阵列，能够灵活地操控电磁波，进而实现对反射波或透射波的幅度、相位和极化等特性进行人工调控。近年来，超表面因其设计的灵活特性在低RCS天线中的应用而得到了广泛的研究。尽管已有较多文献通过加载超表面实现了天线阵的RCS减缩，但在设计时，超表面单元和天线阵设计各自独立，且需要增大天线的整体尺寸。因此，找到一种有效的方法来降低天线的带内外RCS，同时保证其辐射特性不受影响尤为重要。
根据雷达方程，敌方雷达的探测距离与目标RCS的四次平方根呈正比关系，故RCS每降低10个dB，则相应的探测距离范围降到56％，此时雷达作用范围减少44％。因此，缩减天线的RCS是实现增强各类作战平台存活能力的关键。
期刊文献：M.Guo,B.Xue,J.Wang and G.Yang,"Circularly polarised antennawith low RCS using chessboard grid hollow substrate,"in Electronics Letters,vol.55,no.24,pp.1265-1267,28 11 2019.文献提出一种基于棋盘结构空载基片的低RCS环形天线阵，其仿真结果显示，该低RCS环形天线阵7-21GHz范围内天线的RCS都实现了缩减，但该天线的RCS缩减值大于达10dB以上的相对带宽为30％，且在天线工作频段RCS缩减值均值仅有5dB。作为一种低RCS天线阵，除了具有良好的散射特性，辐射特性也不能受到过多的影响，由于加载了空载基片，该天线阵有效辐射单元只有50％，相比于参考天线阵，辐射特性受到极大的影响，显然还需要改进。
期刊文献：Y.Fan,J.Wang,Y.Li,J.Zhang,Y.Han and S.Qu,"Low-RCS and High-Gain Circularly Polarized Metasurface Antenna,"in IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.67,no.12,pp.7197-7203,Dec.2019.文献提出一种通过旋转辐射单元以棋盘结构排列的的低RCS天线阵，其仿真结果显示，该低RCS天线阵8-14GHz范围内天线的RCS都实现了缩减，该天线阵充分利用辐射单元面积，将天线与超表面一体化设计，相比于参考天线阵，辐射特性受到的影响不大，但该天线的RCS缩减值大于达10dB以上的相对带宽仅为8％，且在天线工作频段RCS缩减值均值仅有4dB，未能很好的实现天线工作频带内的雷达散射截面的缩减。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种紧凑型低RCS超表面天线阵及其设计方法，以解决现有技术中天线的RCS缩减值大于达10dB以上的相对带宽较窄以及低RCS天线阵有效辐射单元占比率不高的问题。本发明保证了天线阵的辐射特性的同时，极大的缩减了天线工作频带内的雷达散射截面，并保证所设计天线阵的RCS缩减值大于达10dB以上的相对带宽大于现有技术所设计的天线阵，且本发明的低剖面、易加工的特点便于与电路集成。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种紧凑型低RCS超表面天线阵，包括：金属贴片层、中间介质层、金属背板层以及多个同轴金属馈电柱，所述金属贴片层、中间介质层和金属背板层从上至下依次无缝层叠；所述多个同轴金属馈电柱分别贯穿上述的金属贴片层、中间介质层以及金属背板层。
进一步地，所述金属贴片层包含第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元，第一矩形贴片单元为形状规则的矩形贴片，第二双向梳齿状贴片单元为在对第一矩形贴片单元尺寸进行调整后，并在辐射边两侧加载八个梳齿结构的双向梳齿状贴片。
进一步地，所述第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元的反射相位差满足180°±37°，且以棋盘结构形式在中间介质层上4*4周期印制排布。
进一步地，所述中间介质层为采用80mm*80mm*3mm的材料，该材料为F4B基板，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。
进一步地，设天线阵包含4*4个贴片单元，则相应具有4*4个馈电点，将所述的4*4个馈电点在4*4贴片单元下方规则排布。
进一步地，所述金属背板层采用导电率为σ＝5.8×107S/m铜材料，尺寸为80mm*80mm。
本发明的一种紧凑型低RCS超表面天线阵的设计方法，包括步骤如下：
1)根据天线阵的谐振频点计算公式推导出第一矩形贴片单元的尺寸，确定第一矩形贴片单元的金属馈电柱的位置；
2)根据上述第一矩形贴片单元的反射相位，通过调整其尺寸确定第二双向梳齿状贴片单元的尺寸，且得到的二者的反射相位满足180°±37°的相位差；
3)根据上述第二双向梳齿状贴片单元的尺寸，结合天线阵的谐振频点计算公式推导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，及第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱的位置；
4)根据第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度及尺寸，在所述第二双向梳齿状贴片单元的辐射边加载梳齿结构使得辐射边长达到理论辐射边电长度，调整确定第二双向梳齿状贴片单元的梳齿结构的尺寸以及位置；
5)选择加工材料，采用覆铜压板技术在加工材料上表面周期印制由上述两种贴片单元构成的金属贴片层，在加工材料下表面印制金属背板层，得到所设计的紧凑型低RCS超表面天线阵。
进一步地，所述步骤1)中第一矩形贴片单元的尺寸计算公式为：
第一矩形贴片单元的金属馈电柱的位置计算公式为：
其中，W1为第一矩形贴片单元的辐射边的宽度，L1为第一矩形贴片单元的辐射边的长度，c0为真空中光的传播速度，f0为指定的谐振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c1为第一矩形贴片单元的金属馈电柱与第一矩形贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚度。
进一步地，所述步骤2)中调整第一矩形贴片单元的尺寸的具体步骤如下：在不改变第一矩形贴片单元宽度的前提下，增大/减小第一矩形贴片单元的长度，当第二双向梳齿状贴片单元的长度为L2时，实现x极化波入射时宽频带内的反射幅度得到降低，同时不影响y极化波入射时的反射相位；在不改变第二双向梳齿状贴片单元长度的前提下，增大/减小第二双向梳齿状贴片单元的宽度，当第二双向梳齿状贴片单元的长度为W2时，实现y极化波入射时宽频带内与第一矩形贴片单元形成180°±37°的相位差，同时不影响x极化波入射波的反射幅度。
进一步地，所述步骤3)中推导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度的公式为：
第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱的位置计算公式为：
其中，L2为第二双向梳齿状贴片单元的辐射边的实际长度，L′2为第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，c0为真空中光的传播速度，f0为指定的谐振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c2为第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱与第二双向梳齿状贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚度。
进一步地，所述步骤4)调整第二双向梳齿状贴片单元的梳齿结构尺寸的具体步骤如下：在不改变第二双向梳齿状贴片单元的实际长度L2与宽度W2的前提下，在第二双向梳齿状贴片单元的辐射边处分别加载四个梳齿结构，增大/减小梳齿结构的长度与宽度，当梳齿结构的长度为d宽度为b时，实现L′2≈L2+4d，此时第二双向梳齿状贴片单元作为天线辐射单元的工作频带与第一矩形贴片单元作为天线辐射单元的工作频带一致，同时不影响x极化波入射时第二双向梳齿状贴片单元的反射幅度与y极化波入射时反射相位。
本发明的有益效果：
本发明的天线阵具有良好的辐射特性，以4*4个单元棋盘布阵为例，整体结构大小为8cm*8cm，可见其最小的工作尺寸不会给设计低可探测性的雷达系统造成困难。在16个单元中，包含了8个第一矩形贴片单元以及8个第二双向梳齿状贴片单元，相较于整个天线只由一种贴片单元构成，棋盘布阵实现雷达散射截面缩减的特性得到体现，包含的第一矩形贴片单元的等效尺寸为0.26λ0*0.28λ0，包含的第二双向梳齿状贴片单元的等效尺寸为0.22λ0*0.20λ0，其中λ0为两种金属贴片单元作为天线的辐射单元工作时谐振点处的波长；以S11≤-10dB为标准，天线阵工作频带为6.22-6.83GHz，增益大小为16.01dB。
本发明的天线阵具有良好的散射特性，与参考天线相比：单站RCS随频率变化曲线显示能在5.22-7.10GHz的宽频带内实现雷达截面减缩，且基本在5.22-7.10GHz频带范围内雷达散射截面减缩量大于10dB；在6.4GHz下的单站RCS曲线随入射角变化曲线显示能在入射角为-31-31°的角度范围内实现雷达截面减缩，且基本在-31-31°角度范围内雷达散射截面减缩量大于10dB；在6.4GHz下的三维散射方向图显示在正入射情况下，沿主平面(XZ，YZ)显著减小，主反射波瓣指向四个象限，在6.4GHz下，本发明超表面天线主平面上的RCS相比参考天线减少10.2dB。在对角线平面上，RCS最大值比参考天线小8.3dB。这种减少是因为反射场被重新定向到四个主瓣，而不是参考天线表面的单个主瓣；说明本发明基于棋盘结构的超表面天线可以大幅度地减缩天线的雷达散射截面，进而实现天线的隐身。
本发明保证了超表面天线不影响辐射特性的同时，极大地缩减覆盖天线工作频带的单站RCS，其中缩减大于-10dB的频带从5.22-7.10GHz，RCS缩减-10dB相对带宽为47％，大于现有文献的-10dB相对带宽，并一定程度上实现了工作频带内双站RCS的缩减，为设计低可探测性的雷达系统提供了研究基础。
本发明通过将两种辐射单元棋盘布阵实现天线整体的散射场相干抵消，并将其分散到无威胁的角度，进而实现天线宽频带的低雷达散射截面的特性。本发明将天线的辐射单元同时作为控制散射场相位的超表面单元，实现超表面结构与天线结构的一体化设计，本发明在实现宽频带的RCS缩减的同时，保证了天线在工作频带内的辐射性能不受影响；本发明对隐身天线领域有着重要的应用意义。
附图说明
图1为本发明超表面天线阵结构的俯视图。
图2为本发明超表面天线阵结构的侧视图。
图3为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元的结构俯视图。
图4为本发明超表面天线阵中第二双向梳齿状贴片单元的结构俯视图。
图5为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在辐射、接收状态下的反射系数对比图。
图6为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在辐射、接收状态下的yoz面增益对比图。
图7a为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在TE波垂直入射下的反射幅度对比图。
图7b为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在TE波垂直入射下的反射相位对比图。
图8a为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在TM波垂直入射下的反射幅度对比图。
图8b为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在TM波垂直入射下的反射相位对比图。
图9为本发明超表面天线阵的两种参考天线的俯视图。
图10为本发明超表面天线阵与参考天线在辐射、接收状态下的反射系数曲线对比图。
图11为本发明超表面天线阵与参考天线在辐射、接收状态下的yoz面增益对比图。
图12为本发明超表面天线阵与参考天线的单站RCS随频率变化曲线对比图。
图13为本发明超表面天线阵与参考天线在6.4GHz下的单站RCS曲线随入射角变化曲线对比图。
图14a是参考天线1在平面波沿-z轴垂直入射下，在6.4GHz下的三维散射方向图。
图14b是参考天线2在平面波沿-z轴垂直入射下，在6.4GHz下的三维散射方向图。
图14c是本发明超表面天线阵在平面波沿-z轴垂直入射下，在6.4GHz下的三维散射方向图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1、图2所示，示例中，本发明的一种紧凑型低RCS超表面天线阵，包括：8个第一矩形贴片单元1、8个第二双向梳齿状贴片单元2、中间介质层3、金属背板层4和8个第一同轴金属馈电柱5、8个第二同轴金属馈电柱6；所述的第一矩形贴片单元1和第二双向梳齿状贴片贴片单元2呈棋盘状周期印制排布在中间介质层3的上表面，金属背板层4印制在中间介质层3的下表面，每一个第一同轴金属馈电柱5位于距离每一个第一矩形贴片单元1中心的c1处，每一个第二同轴金属馈电柱6位于距离每一个第二双向梳齿状贴片单元2中心的c2处。中间介质层3采用80mm*80mm*3mm的材料，该材料为F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。金属背板层4采用导电率为σ＝5.8×107S/m铜材料，尺寸为80mm*80mm。所述的金属贴片层、中间介质层和金属背板层是按照从上至下的顺序依次无缝层叠，本发明取但不限于4*4个单元。
参照图3，第一矩形贴片单元1其尺寸为L1*W1，距离所述第一矩形贴片单元1中心c1处为第一金属馈电柱5，所述第一金属馈电柱5的半径为0.5mm。参照图4，第二双向梳齿状贴片单元2其尺寸为L2*W2，所述梳齿结构分别为梳齿7、梳齿8、梳齿9、梳齿10、梳齿11、梳齿12、梳齿13和梳齿14。所述梳齿结构尺寸均为d*b，所述梳齿7位于距离第二双向梳齿状贴片单元2上边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2左侧，所述梳齿8位于距离第二双向梳齿状贴片单元2上边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2右侧，所述梳齿9位于距离梳齿7下边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2左侧，所述梳齿10位于距离梳齿8下边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2右侧，所述梳齿11位于距离梳齿9下边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2左侧，所述梳齿12位于距离梳齿10下边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2右侧，所述梳齿13位于距离梳齿11下边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2左侧，所述梳齿14位于距离梳齿12下边缘下方1.7mm处且位于第二双向梳齿状贴片单元2右侧。距离所述第二双向梳齿状贴片单元2中心c2处为第二金属馈电柱6，所述第二金属馈电柱6的半径为0.5mm。
本发明的一种紧凑型低RCS超表面天线阵的设计方法，包括步骤如下：
1)根据天线阵的谐振频点计算公式推导出第一矩形贴片单元的尺寸，确定第一矩形贴片单元的金属馈电柱的位置；
2)根据上述第一矩形贴片单元的反射相位，通过调整其尺寸确定第二双向梳齿状贴片单元的尺寸，且得到的二者的反射相位满足180°±37°的相位差；
3)根据上述第二双向梳齿状贴片单元的尺寸，结合天线阵的谐振频点计算公式推导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，及第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱的位置；
4)根据第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度及尺寸，在所述第二双向梳齿状贴片单元的辐射边加载梳齿结构使得辐射边长达到理论辐射边电长度，调整确定第二双向梳齿状贴片单元的梳齿结构的尺寸以及位置；
5)选择加工材料，采用覆铜压板技术在加工材料上表面周期印制由上述两种贴片单元构成的金属贴片层，在加工材料下表面印制金属背板层，得到所设计的紧凑型低RCS超表面天线阵。
所述步骤1)中第一矩形贴片单元的尺寸计算公式为：
第一矩形贴片单元的金属馈电柱的位置计算公式为：
其中，W1为第一矩形贴片单元的辐射边的宽度，L1为第一矩形贴片单元的辐射边的长度，c0为真空中光的传播速度，f0为指定的谐振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c1为第一矩形贴片单元的金属馈电柱与第一矩形贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚度。
所述步骤2)中调整第一矩形贴片单元的尺寸的具体步骤如下：在不改变第一矩形贴片单元宽度的前提下，增大/减小第一矩形贴片单元的长度，当第二双向梳齿状贴片单元的长度为L2时，实现x极化波入射时宽频带内的反射幅度得到降低，同时不影响y极化波入射时的反射相位；在不改变第二双向梳齿状贴片单元长度的前提下，增大/减小第二双向梳齿状贴片单元的宽度，当第二双向梳齿状贴片单元的长度为W2时，实现y极化波入射时宽频带内与第一矩形贴片单元形成180°±37°的相位差，同时不影响x极化波入射波的反射幅度。
所述步骤3)中推导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度的公式为：
第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱的位置计算公式为：
其中，L2为第二双向梳齿状贴片单元的辐射边的实际长度，L′2为第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，c0为真空中光的传播速度，f0为指定的谐振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c2为第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱与第二双向梳齿状贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚度。
所述步骤4)调整第二双向梳齿状贴片单元的梳齿结构尺寸的具体步骤如下：在不改变第二双向梳齿状贴片单元的实际长度L2与宽度W2的前提下，在第二双向梳齿状贴片单元的辐射边处分别加载四个梳齿，增大/减小梳齿的长度与宽度，当梳齿的长度为d宽度为b时，实现L′2≈L2+4d，此时第二双向梳齿状贴片单元作为天线辐射单元的工作频带与第一矩形贴片单元作为天线辐射单元的工作频带一致，同时不影响x极化波入射时第二双向梳齿状贴片单元的反射幅度与y极化波入射时反射相位。
示例中，利用商业仿真软件HFSS15.0对上述天线的具体参数的优化以及辐射特性和散射特性的微调，最终的参数如下表1所示：
表1
| 参数 | L<sub>1</sub> | W<sub>1</sub> | L<sub>2</sub> | W<sub>2</sub> | c<sub>1</sub> | c<sub>2</sub> | b | d |
| 数值 | 12.5mm | 13.1mm | 10.4mm | 9.5mm | 3.2mm | 1.4mm | 0.3mm | 2.8mm |
为了便于理解，本发明结合如下仿真结果进行进一步描述说明：
对上述本发明超表面天线阵中两种贴片单元在辐射、接收状态下的反射系数进行仿真计算，参照图5仿真结果，其中以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线的工作频点为6.51GHz，以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线的工作频点为6.48GHz，以反射系数≤-10dB为标准，第一矩形贴片单元1为辐射单元天线的工作频带为6.22-6.83GHz，第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线的工作频带为6.26-6.68GHz，两种贴片单元的反射系数基本一致。从图5可知，本发明中以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线与以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线相比天线的谐振点和工作带宽都基本一致。
对上述本发明超表面天线阵中两种贴片单元在辐射、接收状态下的yoz面增益进行仿真计算，参照图6仿真结果可知，本发明中的以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线与以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线相比天线的在yoz面的增益曲线差距较小，其中以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线在yoz面的增益大小为6.85dB，以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线在yoz面的增益大小为6.65dB。说明本发明中以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线与以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线相比天线在yoz面的方向图基本一致。
对上述本发明超表面天线阵中两种贴片单元在TE波垂直入射下的反射相位和幅度进行仿真计算。从图7a和图7b可知，本发明中的以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线与以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线的在TE波垂直入射下的反射相位零点在6.38GHz附近，两种天线在TE波垂直入射下反射相位曲线基本一致；本发明中的以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线与以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线的在TE波垂直入射下的反射幅度在6.38GHz附近为0.29和0.32，两种天线在TE波垂直入射下反射幅度基本一致，均呈现良好的吸波特性。
对上述本发明超表面天线阵中两种贴片单元在TM波垂直入射下的反射相位和幅度进行仿真计算。从图8a和图8b可知，本发明中的以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线与以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线的在TM波垂直入射下的反射相位5.8-7.1GHz频段内实现了满足相位相消条件(180±37°)的相位差；本发明中的以第一矩形贴片单元1为辐射单元天线与以第二双向梳齿状贴片单元2为辐射单元天线的在TM波垂直入射下的反射幅度在所计算频段内均在1附近，呈现全反射特性；两种天线在TM波垂直入射下，在5.8-7.1GHz频段反射幅度基本一致，反射相位满足相位相消条件(180±37°)的相位差，所述相位差可以使两种天线同时在TM波垂直入射时，通过棋盘结构布置利用相位相消实现RCS缩减。
参照图9为两种参考天线，参考天线1天线辐射单元由本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元1进行4*4印制排布，参考天线1包括4*4个第一矩形贴片单元1、中间介质层3、金属背板层4和4*4个第一金属馈电柱5，所述的第一矩形贴片单元1呈周期印制排布在中间介质层3的上表面，金属背板层4印制在中间介质层3的下表面，每一个第一同轴金属馈电柱5位于距离每一个第一矩形贴片单元1中心的3.2mm处。中间介质层3采用80mm*80mm*3mm的矩形材料，该材料为F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。金属背板层4采用导电率为σ＝5.8×107S/m铜材料，尺寸为80mm*80mm。所述的金属贴片层、中间介质层和金属背板层都是按照顺序依次无缝层叠。参考天线2天线辐射单元由本发明超表面天线中第二双向梳齿状贴片单元2进行4*4印制排布，参考天线2包括4*4个第二双向梳齿状贴片单元2、中间介质层3、金属背板层4和4*4个第二同轴金属馈电柱6，所述的第二双向梳齿状贴片单元2呈周期印制排布在中间介质层3的上表面，金属背板层4印制在中间介质层3的下表面，每一个第二同轴金属馈电柱6位于距离每一个第二双向梳齿状贴片单元2中心的1.4mm处。中间介质层3采用80mm*80mm*3mm的材料，该材料为F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。金属背板层4采用导电率为σ＝5.8×107S/m铜材料，尺寸为80mm*80mm。所述的金属贴片层、中间介质层和金属背板层都是按照顺序依次无缝层叠。
对上述本发明超表面天线阵与参考天线在辐射、接收状态下的反射系数进行仿真计算，从图10可知，其中本发明超表面天线阵的工作频点为6.51GHz，两种参考天线的工作频点分别为6.48GHz和6.50GHz，以反射系数≤-10dB为标准，本发明超表面天线阵的工作频带为6.22-6.83GHz，两种参考天线的工作频带分别为6.26-6.68GHz和6.22-6.83GHz，三种天线的反射系数基本一致。从图10可知，本发明中超表面天线阵与参考天线相比天线的谐振点和工作带宽都基本一致。
对上述本发明超表面天线阵与参考天线在辐射、接收状态下的yoz面增益进行仿真计算。从图11可知，本发明超表面天线阵与两种参考天线相比，天线阵在yoz面的增益曲线差距较小，其中本发明超表面天线阵在yoz面的增益大小为16.01dB，两种参考天线在yoz面的增益大小分别为16.10dB和15.95dB。说明本发明中超表面天线阵与参考天线相比天线在yoz面的方向图基本一致。
上述本发明超表面天线阵与参考天线的单站RCS随频率变化曲线进行仿真计算，结果如图12所示。本发明超表面天线阵与参考天线阵相比，本发明能在5.22-7.10GHz的宽频带内实现雷达截面减缩，且基本在5.22-7.10GHz频带范围内雷达散射截面减缩量大于10dB，说明本发明基于棋盘结构的超表面天线阵可以大幅度地减缩天线阵的雷达散射截面，进而实现天线的隐身。
对上述本发明超表面天线阵与参考天线在6.4GHz下的单站RCS曲线随入射角变化曲线进行仿真计算，结果如图13所示。本发明超表面天线阵与参考天线相比，本发明能在入射角为-30-30°的角度范围内实现雷达截面减缩，且基本在-30-30°角度范围内雷达散射截面减缩量大于10dB，说明本发明可以大幅度地减缩天线阵的雷达散射截面，进而实现天线的隐身。
对上述本发明超表面天线阵与参考天线阵在平面波沿-z轴垂直入射下，在6.4GHz下的三维散射方向图进行仿真计算，结果如图14a-图14c所示，其中图14a为参考天线1，图14b为参考天线2，图14c为设计超表面天线阵。本发明超表面天线阵与参考天线相比，在正入射情况下，本发明超表面天线阵的RCS沿主平面(XZ，YZ)显著减小，主反射波瓣指向四个象限，在6.4GHz下，本发明超表面天线阵主平面上的RCS相比参考天线阵减少10.2dB。在对角线平面上，RCS最大值比参考天线小8.3dB。这种减少是因为反射场被重新定向到四个主瓣，而不是参考天线表面的单个主瓣。说明本发明超表面天线阵可以大幅度地减缩天线阵的雷达散射截面，进而实现天线的隐身。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种紧凑型低RCS超表面天线阵，其特征在于，包括：金属贴片层、中间介质层、金属背板层以及多个同轴金属馈电柱，所述金属贴片层、中间介质层和金属背板层从上至下依次无缝层叠；所述多个同轴金属馈电柱分别贯穿上述的金属贴片层、中间介质层以及金属背板层。
2.根据权利要求1所述的紧凑型低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述金属贴片层包含第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元，第一矩形贴片单元为形状规则的矩形贴片，第二双向梳齿状贴片单元为在对第一矩形贴片单元尺寸进行调整后，并在辐射边两侧加载八个梳齿结构的双向梳齿状贴片。
3.根据权利要求1所述的紧凑型低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元的反射相位差满足180°±37°，且以棋盘结构形式在中间介质层上4*4周期印制排布。
4.根据权利要求1所述的紧凑型低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述中间介质层为采用80mm*80mm*3mm的材料，该材料为F4B基板，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。
5.根据权利要求1所述的紧凑型低RCS超表面天线阵，其特征在于，设天线阵包含4*4个贴片单元，则相应具有4*4个馈电点，将所述的4*4个馈电点在4*4贴片单元下方规则排布。
6.根据权利要求1所述的紧凑型低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述金属背板层采用导电率为σ＝5.8×107S/m铜材料，尺寸为80mm*80mm。
7.一种紧凑型低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)根据天线阵的谐振频点计算公式推导出第一矩形贴片单元的尺寸，确定第一矩形贴片单元的金属馈电柱的位置；
2)根据上述第一矩形贴片单元的反射相位，通过调整其尺寸确定第二双向梳齿状贴片单元的尺寸，且得到的二者的反射相位满足180°±37°的相位差；
3)根据上述第二双向梳齿状贴片单元的尺寸，结合天线阵的谐振频点计算公式推导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，及第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱的位置；
4)根据第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度及尺寸，在所述第二双向梳齿状贴片单元的辐射边加载梳齿结构使得辐射边长达到理论辐射边电长度，调整确定第二双向梳齿状贴片单元的梳齿结构的尺寸以及位置；
5)选择加工材料，采用覆铜压板技术在加工材料上表面周期印制由上述两种贴片单元构成的金属贴片层，在加工材料下表面印制金属背板层，得到所设计的紧凑型低RCS超表面天线阵。
8.根据权利要求7所述的紧凑型低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，所述步骤1)中第一矩形贴片单元的尺寸计算公式为：
第一矩形贴片单元的金属馈电柱的位置计算公式为：
其中，W1为第一矩形贴片单元的辐射边的宽度，L1为第一矩形贴片单元的辐射边的长度，c0为真空中光的传播速度，f0为指定的谐振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c1为第一矩形贴片单元的金属馈电柱与第一矩形贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚度。
9.根据权利要求7所述的紧凑型低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，所述步骤2)中调整第一矩形贴片单元的尺寸的具体步骤如下：在不改变第一矩形贴片单元宽度的前提下，增大/减小第一矩形贴片单元的长度，当第二双向梳齿状贴片单元的长度为L2时，实现x极化波入射时宽频带内的反射幅度得到降低，同时不影响y极化波入射时的反射相位；在不改变第二双向梳齿状贴片单元长度的前提下，增大/减小第二双向梳齿状贴片单元的宽度，当第二双向梳齿状贴片单元的长度为W2时，实现y极化波入射时宽频带内与第一矩形贴片单元形成180°±37°的相位差，同时不影响x极化波入射波的反射幅度。
10.根据权利要求7所述的紧凑型低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中推导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度的公式为：
第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱的位置计算公式为：
其中，L2为第二双向梳齿状贴片单元的辐射边的实际长度，L′2为第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，c0为真空中光的传播速度，f0为指定的谐振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c2为第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱与第二双向梳齿状贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚度。
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