CN112201962A - 一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线阵列装置技术领域，具体公开了一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，反射板为平面结构，包括多种不同反射相位的人工磁导体结构单元；其中，多个相同的、反射相位最小的人工磁导体结构单元组成正方形，位于反射板的中心；其它各种反射相位分别对应的多个相同的人工磁导体结构单元组成正方形环，并按照反射相位递增的顺序逐层向外镶套；反射板上各人工磁导体结构单元之间的反射相位满足：各单元处反射的电磁波的等相位面相交于空间中同一个点。本发明使用基于人工磁导体结构的反射相位调控的平面反射板替代传统的金属平面反射板，结构简单，可应用于阵列天线中，在保证RCS缩减效果良好的同时，对阵列天线的增益有一定提高。

Description

一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板

技术领域

本发明属于天线阵列装置技术领域，尤其涉及一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板。

背景技术

隐身技术是使武器装备平台在电磁波、声波、红外光以及可见光等探测中不被发现的技术的统称。而目标在电磁波中的隐身能力是现代信息化战争中的关键，是世界各国关注的重点。雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)是目标被电磁波照射时特定方向上反射功率能力的一种量度，是电磁隐身技术中的重要考核指标。电磁隐身技术，就是通过各种技术手段(包括外形设计、吸波材料和超材料技术等)降低或者控制目标物体的RCS，降低目标物体被对方雷达截获的概率。在现代武器装备平台中，相控阵雷达中的阵列天线已成为整个隐身平台RCS的主要来源，且相较于一般物体，天线具有更为复杂的散射特性。

根据工作频带不同，可以将天线RCS缩减技术分为两大类：带内缩减与带外缩减。其中，对天线工作频带内起效的RCS缩减方法称为带内RCS缩减(或带内隐身)，反之为带外RCS缩减(或带外隐身)。

天线的带外RCS缩减比较容易实现，一般采用具有带通滤波特性的天线罩。在天线工作频带外，天线罩可看成金属面，对入射波全反射，通过对天线罩外形进行适当设计可实现散射场在全空间均匀分布或对准非威胁方向；在天线通带内，天线罩对入射波全透过，对天线的辐射性能影响极小。此外，还可采用反射相位相消法，使用两种不同反射相位的超材料结构单元按棋盘格组合成天线反射板，使两种超材料结构单元对同一入射波的反射相位刚好相差180°，互相抵消，减少反射波。

对天线进行带内隐身设计时，需要既控制其散射特性又不影响其辐射性能，两者互相矛盾，因此难度较大。对于天线的带内RCS缩减，目前国内外已报道的方法有阻抗加载法、开槽法、辐射边缘重构法和基于移相器网络的RCS缩减方法。其中，(1)阻抗加载法通过阻抗加载等技术使天线谐振频率偏离威胁频域，继而使RCS的峰值偏离，从而实现一定频域之内的RCS缩减。该方法容易搭建，效果明显，但是其存在天线辐射特性恶化、频带偏移、阻抗匹配恶化等问题。(2)开槽法通过开槽改变电流路径使天线小型化或减小金属部分面积以缩减天线RCS，但也存在天线谐振频率变化，天线尺寸减小导致辐射性能恶化等问题。(3)辐射片边缘重构法是在微带天线边缘添加金属通孔，以改善金属表面的电流分布，进而降低天线的RCS，但结构设计较为复杂且对天线工作带宽有一定影响。(4)基于移相器网络的RCS缩减方法是通过调节不同天线单元之间的模式项散射相位实现模式项散射相消或模式项与结构项相消以实现阵列天线RCS缩减，对天线工作时的辐射性能无任何影响。但是也存在受移相器限制对频率敏感、带宽较窄和设计难度较高等问题。

综上所述，现有技术存在的问题是，目前天线隐身技术可以在一定程度上缩减天线的带内RCS，但是会对天线的辐射性能造成一定影响，而且一些对天线辐射性能影响较小的方法也因为其结构、尺寸和设计难度等原因，难以应用在阵列天线之中。此外，直接改变阵列天线的结构可以缩减天线的带内RCS，但是会影响其辐射性能，带内RCS缩减越大，辐射性能受影响越大，这是一个难以解决的矛盾。

发明内容

本发明提供一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，用以解决现有雷达散射截面积缩减方法会影响阵列天线辐射特性的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，所述反射板为平面结构，包括：多种不同反射相位的人工磁导体结构单元；

其中，多个相同的、反射相位最小的人工磁导体结构单元组成正方形，位于所述反射板的中心；其它各种反射相位分别对应的多个相同的人工磁导体结构单元组成正方形环，并按照反射相位递增的顺序逐层向外镶套；所述反射板上各人工磁导体结构单元之间的反射相位满足：各单元处反射的电磁波的等相位面相交于空间中同一个点。

本发明的有益效果是：本发明采用基于人工磁导体结构的反射相位调控的平面反射板替代传统的金属平面反射板，不同反射相位的人工磁导体结构嵌套设置，其中通过调整各人工磁导体结构单元的反射相位，使各单元处反射的电磁波的等相位面(波前)相交于空间中同一个点。一方面，根据惠更斯原理，通过相位梯度设计得到的平面反射板可以等效为曲面反射板，使经由反射板反射的电磁波经过前述空间交点向空间均匀散射，实现阵列天线散射场在空间上的均匀分布，进而缩减阵列天线的雷达散射截面积。另一方面，在前述空间交点处，阵列天线所发射的电磁波经过反射板反射后可实现阵列天线的波束汇聚，进而提高天线增益，增强方向性。因此，本发明使用基于人工磁导体结构的反射相位调控的平面反射板替代传统的金属平面反射板，结构简单，可以应用于阵列天线之中，在保证RCS缩减效果良好的同时，对阵列天线的增益有一定提高。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述反射板的平面反射等效为曲面反射。

进一步，所述曲面反射的反射面类型为抛物面、双曲面或球面，由人工磁导体结构单元反射相位梯度设计确定。

本发明的进一步有益效果是：曲面反射的反射面类型根据实际需要通过设计人工磁导体结构单元反射相位梯度实现，灵活方便。

进一步，所述反射板外形为平面正方形，作为基本单元拼接成任意尺寸大小的新的反射板，以应用于大规模阵列天线中。

本发明的进一步有益效果是：本发明反射板具有很强的拓展性，可以应用于多种类型的阵列天线中，且可以将多个反射板组成更大的反射板，应用于大规模阵列天线中，以降低大规模阵列天线的雷达散射截面积。

进一步，所述反射板是在覆盖有金属的介质基板上通过刻蚀金属图形制得。

进一步，通过改变人工磁导体结构单元的结构及尺寸改变人工磁导体结构单元的反射相位。

本发明还提供一种相控阵雷达，包括阵列天线及其反射地板，其特征在于，所述反射地板为如上所述的反射板，该反射板放置于所述阵列天线的辐射口径的背面。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种应用于X波段阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板；

图2为图1内的四种人工磁导体结构单元模型1的表面金属电极图形示意图；

图3为本发明实施例采用的四种人工磁导体单元模型反射相位对比图；

图4是本发明实施例提供的应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板的工作原理图；

图5是本发明实施例提供的使用本发明提出的反射板与使用金属平面反射板的3×3单元Vivaldi阵列天线对比模型结构示意图；

图6是本发明实施例提供的使用本发明提出的反射板与使用金属平面反射板的3×3单元Vivaldi阵列天线在8～12GHz范围内的单站RCS对比图；

图7是本发明实施例提供的使用本发明提出的反射板与使用金属平面反射板的3×3单元Vivaldi阵列天线增益-频率对比图；

图8是本发明实施例提供的使用本发明提出的反射板与使用金属平面反射板的3×3单元Vivaldi阵列天线在x方向相位偏移值90°和y方向同相馈电情况下分别在8GHz时、9GHz时、10GHz时、11GHz时和12GHz时的归一化波束扫描辐射方向图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为人工磁导体结构单元模型1，2为人工磁导体结构单元模型2，3为人工磁导体结构单元模型3，4为人工磁导体结构单元模型4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，反射板为平面结构，包括：多种不同反射相位的人工磁导体结构单元；

其中，多个相同的、反射相位最小的人工磁导体结构单元组成正方形，位于反射板的中心；其它各种反射相位分别对应的多个相同的人工磁导体结构单元组成正方形环，并按照反射相位递增的顺序逐层向外镶套；反射板上各人工磁导体结构单元之间的反射相位满足：各单元处反射的电磁波的等相位面相交于空间中同一个点。

例如，位于反射板中心的、反射相位最小的人工磁导体结构单元的个数可以是4、9或16个，以组成正方形区域，如图1所示的反射板，共有4种反射相位的人工磁导体结构单元，中心正方形区域为9个相同的、反射相位最小的人工磁导体结构单元。

通过调整各人工磁导体结构单元的反射相位，使各单元处反射的电磁波的等相位面(波前)相交于空间中同一个点。一方面，根据惠更斯原理，通过相位梯度设计得到的平面反射板可以等效为曲面反射板，使经由反射板反射的电磁波经过前述空间交点向空间均匀散射，实现阵列天线散射场在空间上的均匀分布，进而缩减阵列天线的雷达散射截面积。另一方面，在前述空间交点处，阵列天线所发射的电磁波经过反射板反射后可实现阵列天线的波束汇聚，进而提高天线增益，增强方向性。

优选的，反射板的平面反射等效为曲面反射，曲面反射的反射面类型为抛物面、双曲面或球面，由人工磁导体结构单元反射相位梯度设计确定。

因此，针对反射板中人工磁导体结构单元反射相位梯度进行设计，反射板可以等效成抛物面、双曲面和球面等多种曲面反射面。

通过设计合适的人工磁导体结构单元以控制每种单元的反射相位，形成需要的反射相位梯度变化。根据惠更斯原理，控制反射相位梯，使得各人工磁导体结构单元的反射波波前相交于空间中同一个点，形成等效曲面反射板，最终形成一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板。

传统的天线带内隐身技术大都对天线的辐射性能有影响，或是仅能使用在单元天线上，难以应用于阵列天线之中。本发明所提出的基于人工磁导体结构的平面反射板克服了传统天线隐身技术难以应用于阵列中且对天线辐射特性有影响的缺点，其等效曲面结构能使入射平面波经由各波前汇聚点各向散射，缩减阵列天线RCS，且将天线在波前汇聚点处发射的电磁波平行出射，可进一步改善天线的辐射特性。与传统天线隐身方法相比，本实施例所提出的反射板结构简单，而且可以进一部扩展应用于大规模阵列天线中，在保证RCS缩减的同时，对阵列天线的辐射特性有一定改善与提高。即，既能够实现阵列天线带内RCS缩减，又不影响阵列天线的结构及其辐射性能的结构。

优选的，反射板是在覆盖有金属的介质基板上通过刻蚀金属图形制得。

优选的，通过改变人工磁导体结构单元的结构及尺寸改变人工磁导体结构单元的反射相位。

为了更加清楚详细的说明本发明，现举例说明如下：

如图1所示的一种应用于X波段阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，面积为135×135mm2，由15×15个四种类型的人工磁导体结构单元组成，四种类型分别是模型1、模型2、模型3和模型4。

根据惠更斯原理，在遵守费马定理的基础上，利用反射面各处相位的阶梯性变化可以控制反射波的波前，使各处反射波波前相交于同一个点，即可实现平面反射等效为曲面反射。

具体的，如图2所示，人工磁导体结构单元模型1的金属电极图形如左上角所示；人工磁导体结构单元模型2的金属电极图形如右上角所示；人工磁导体结构单元模型3的金属电极图形如左下角所示；人工磁导体结构单元模型4的金属电极图形如右下角所示。经过仿真计算得到人工磁导体结构单元模型1、模型2、模型3和模型4的结构几参数分别为L0＝9mm，M1L＝6mm，M1W＝0.5mm，M1R＝4.2mm，M3L1＝7.5mm，M3W1＝0.5mm，M3L2＝6mm，M3W2＝0.5mm，M4L1＝7.5mm，M4W1＝0.25mm，M4L2＝4mm，M3W2＝0.25mm。

人工磁导体结构的表面电极图形通过在相对介电常数3.48、1.5mm厚的介质基板上刻蚀覆铜层实现。

四种人工磁导体结构单元模型在8～12GHz频带内的反射相位曲线如图3所示。其中，以10GHz处为例，四种单元模型的反射相位分别为0°、35°、90°和220°。将四种人工磁导体单元模型按图1所示的方环结构进行镶套，即可形成一种应用于X波段阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板。

此时，由于各人工磁导体结构的反射相位差，所述反射板可以等效为抛物面金属反射面，垂直阵列天线辐射口径面入射的平面电磁波经所述反射板反射后，各反射波的波前汇聚在空间中同一点F(等效抛物面的焦点)，如图4的左图所示，并向空间发散。天线的散射场在空间均匀分布，天线的雷达散射截面积因此得到缩减。在阵列天线辐射时，从等效抛物面焦点F处发出的球面波经所述反射板反射后，会沿着等效抛物面口径面的法向平行出射，如图4的右图所示，因此对阵列天线的辐射性能无影响。

如图5所示的是使用本发明提出的反射板与使用金属平面反射板的3×3单元Vivaldi阵列天线对比模型结构示意图，图6示出了加载发射板与加载传统平面金属反射板的X波段3×3单元Vivaldi阵列天线的单站雷达散射截面积对比结果。从图6中可以看出，加载反射板厚人工磁导体反射板结构后，阵列天线的单站雷达散射截面积大幅缩减。

图7示出了加载发射板与加载传统平面金属反射板的X波段3×3单元Vivaldi阵列天线的增益对比结果。从图7中可以看出，所述的反射板对阵列天线的增益特性基本没有影响。

如图8所示，改变阵列端口的相位，在8～12GHz频率下，使用所述反射板与使用传统平面金属反射板的X波段3×3单元Vivaldi阵列天线的辐射方向图基本一致，因此人工磁导体结构反射板对阵列天线的波束扫描基本无影响，可以应用于电扫描阵列天线中。

最终，通过使用本实施例提出的应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，能够在实现阵列天线隐身的同时，对阵列天线的辐射性能不产生影响。

优选的，反射板外形为平面正方形，作为基本单元拼接成任意尺寸大小的新的反射板，以应用于大规模阵列天线中，以降低大规模阵列天线的雷达散射截面积。

本实施例反射板具有很强的拓展性，可以应用于多种类型的阵列天线中，且可以将多个反射板组成更大的反射板，应用于大规模阵列天线中。

实施例二

一种相控阵雷达，包括阵列天线及其反射地板，反射地板为如上实施例一所述的反射板，该反射板放置于所述阵列天线的辐射口径的对面，对阵列天线的前向辐射基本无影响。

阵列天线底部加载金属平面反射板时，其镜面反射和二面角反射对入射平面波有较大的反射作用，是阵列天线RCS的主要来源，若无反射板，由于没有反射板的屏蔽遮挡作用，阵列天线与后端电路模块之间会互相影响，阵列天线的辐射性能会受到较大影响，天线增益降低，严重时会影响雷达系统的正常工作。本实施例通过使用人工磁导体结构单元组合成的天线反射板替代传统的金属平面反射板，在保证对阵列天线辐射性能不受影响的同时，对由反射板反射的电磁波具有发散作用，可以同时实现阵列天线带内与带外RCS缩减。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，其特征在于，所述反射板为平面结构，包括：多种不同反射相位的人工磁导体结构单元；

其中，多个相同的、反射相位最小的人工磁导体结构单元组成正方形，位于所述反射板的中心；其它各种反射相位分别对应的多个相同的人工磁导体结构单元组成正方形环，并按照反射相位递增的顺序逐层向外镶套；所述反射板上各人工磁导体结构单元之间的反射相位满足：各单元处反射的电磁波的等相位面相交于空间中同一个点。

2.根据权利要求1所述的一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，其特征在于，所述反射板的平面反射等效为曲面反射。

3.根据权利要求2所述的一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，其特征在于，所述曲面反射的反射面类型为抛物面、双曲面或球面，由人工磁导体结构单元反射相位梯度设计确定。

4.根据权利要求1所述的应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，其特征在于，所述反射板外形为平面正方形，作为基本单元拼接成任意尺寸大小的新的反射板，以应用于大规模阵列天线中。

5.根据权利要求1所述的应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，其特征在于，所述反射板是在覆盖有金属的介质基板上通过刻蚀金属图形制得。

6.根据权利要求5所述的一种应用于阵列天线雷达散射截面积缩减的反射板，其特征在于，通过改变人工磁导体结构单元的结构及尺寸改变人工磁导体结构单元的反射相位。

7.一种相控阵雷达，包括阵列天线及其反射地板，其特征在于，所述反射地板为如权利要求1至6任一项所述的反射板，该反射板放置于所述阵列天线的辐射口径的背面。

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