CN112234365B - 棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵，在8‑12GHz频带范围内实现E面±45°，H面±45°的宽带宽角扫描特性，阵列天线总的剖面高度为0.127高频(12GHz)波长。且根据相位对消原理，在交叉极化入射波垂直照射的情况下，相对于一般的由同一个单元构成的强互耦阵列，该棋盘型强互耦阵列天线的单站散射在8‑15.2GHz的频段内能实现至少9dB的单站散射缩减。且能够在X波段大角度范围内有大幅度的双站散射缩减。

Description

棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及低剖面、低散射宽带扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，采用双天线单元棋盘式布阵的，剖面较低的，散射特性良好，能实现宽带宽角扫描的平面相控天线阵。特别适用于要求天线隐身性能良好且具有低剖面、易共形特性，并能实现宽带宽角扫描的军事隐身平台。

背景技术

在如今的军事信息对战中，天线作为多功能军事载体平台的“眼睛”，具有及其重要的地位。低剖面宽带平面相控阵集多功能于一身，不仅能很好地被集成到军事载体平台中，也能够为平台提供优秀的雷达探测以及通信功能。另一方面，具备极低的可观测性的军事隐身平台具备更高的战略优势。一般来说，当探测信号照射隐身平台后，大部分的散射贡献都来自于平台上安装的天线阵列。于是，设计一个具有低散射特性的天线阵列是设计军事隐身平台的重要一步。根据上述多功能军事平台对天线阵列两个方面的需求，设计一个低散射低剖面宽带平面相控阵具有及其重要的意义。

相较于传统相控阵，强互耦相控阵天线基于Wheeler理想电流板阵列的近似，其本身具备宽带和低剖面特性。这种新型的宽带相控阵是于2003年由俄亥俄州立大学的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 ArrayAntenna and Associated Methods)中首次提出的。随后大量的学者致力于研究如何更进一步提升强互耦阵列的辐射性能(比如宽带或宽角扫描特性等)或者降低强互耦阵列天线的剖面高度。然而就目前而言，针对强互耦阵列天线进行散射性能的分析或控制技术还仅仅是起步阶段。因此如何设计一个低散射低剖面强互耦宽带阵列将会是未来主要的研究方向。

在申请号为201810200308.9的中国专利“改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控阵”中，利用宽角匹配层实现了同极化的单站散射缩减。但是没有给出交叉极化波入射时的散射缩减情况，以及斜入射时的双站散射缩减情况。

在申请号为201910271633.9的中国专利“基于极化选择性吸波器加载的低剖面低散射超宽带相控阵”中，通过加载极化选择性吸收器降低了阵列天线在交叉极化波垂直入射以及斜入射时的雷达散射截面。但是这种加载超材料的方法会增大天线的剖面高度、加工成本以及复杂度。

2007年M.Paquary教授在IEEE Transaction on Antennas and Propagation期刊发表的“Thin AMC Structure for Radar Cross-Section Reduction”首次基于相位相消原理，将具有180°反射相位差的AMC与PEC金属结构按照棋盘方式进行排布组阵，得到了一个相对于纯金属板具备RCS缩减特性的表面结构。而后，这一基于相位相消原理的棋盘布阵思路被大量地应用于各种低散射超表面的设计。

在申请号为201910245546.6的中国专利“低雷达散射截面微带天线”中，两种具有180°±30°反射相位差的AMC结构棋盘式环绕排布在微带贴片的周围，以实现带内散射缩减。但是这种环绕排布超表面的方式会导致天线增加多余的物理口径面积，且此微带贴片天线本身工作在较窄的频率范围。

2019年刘英教授在IEEE Transaction on Antennas and Propagation期刊发表的“An Integrated Radiation and Scattering Performance Design Method of Low-RCS Patch Antenna Array with Different Antenna Elements”基于这种相位相消原理，将两种具有相似辐射性能但具有180°反射相位差的贴片天线单元组阵，设计了一个低散射且无需加载附加结构的4×4贴片阵列天线。但这个贴片天线阵列天线只能工作在较窄的频率范围内，并且也没有给出入射波斜入射情况下的双站散射缩减情况。

基于以上应用需求，本发明提出一种棋盘布阵型的低剖面低散射宽带相控阵，其中没有任何加载结构增加该发明天线的剖面高度、物理口径面积、加工成本以及复杂度，且在天线工作的宽带频率范围内实现了交叉极化入射波的RCS减缩，同时评估了不同角度下电磁波斜入射时的双站RCS缩减效果。

发明内容

在上述的发明背景下，本发明将两个不同的强互耦低剖面宽带天线单元按照棋盘型排布阵列。其中，这两个天线单元在具有相似辐射性能同时它们的反射电场相位差能满足理论上的10dBRCS缩减条件(180°±37°)。于是最终的棋盘型强互耦阵列天线能够在8-12GHz频带范围内实现E面±45°，H面±45°的宽带宽角扫描特性，阵列天线总的剖面高度为0.127高频(12GHz)波长。且根据相位对消原理，在交叉极化入射波垂直照射的情况下，相对于一般的由同一个单元构成的强互耦阵列，该棋盘型强互耦阵列天线的单站散射在8-15.2GHz的频段内能实现至少9dB的单站散射缩减。且能够在X波段大角度范围内有大幅度的双站散射缩减。

本发明提出的技术方案如下：该棋盘型强互耦宽带相控阵天线包括至少两个第一子阵和至少两个第二子阵，且多个所述第一子阵和多个所述第二子阵之间按棋盘方式交叉排列；所述第一子阵由N×N的第一强互耦天线单元组成，所述第二子阵由N×N的第二强互耦天线单元组成，其中，N≥2。使用2020年在IEEE Transaction on Antennas andPropagation期刊发表的“In-Band Scattering Reduction of Wideband Phased AntennaArrays with Enhanced Coupling Based on Phase-Only Optimization Techniques”中用到的强互耦天线单元作为第一强互耦天线单元，其中印刷在单层介质基板上表面的领结型偶极子作为第一强互耦天线单元的偶极子辐射结构，偶极子周围的金属条带用于保证天线的扫描范围。第一强互耦天线单元采用非平衡馈电结构进行馈电，偶极子的左臂和右臂通过双金属短路柱端接金属地板使共模谐振点移到工作频带以外，最终在金属地板下方采用馈电同轴连接器端接非平衡馈电结构对该强互耦天线单元进行实际的馈电。本发明根据第一强互耦天线单元的低剖面特性，宽带辐射性能和反射电场相位，提出了第二强互耦天线单元。为了保证最终组合阵列的低剖面特性以及易于工程化组装，第二强互耦天线单元采用与第一强互耦天线单元一致的单层介质基板、金属地板、非平衡馈电结构和馈电同轴连接器。与此同时，第二强互耦天线单元采用六边形贴片作为天线的六边形偶极子辐射结构。同样地，第二强互耦天线单元也采用了非平衡馈电结构，但是一般的双金属化通孔结构无法将第二强互耦天线单元的共模谐振移出频带外。这里针对第二强互耦天线单元，提出四金属短路柱结构，可以将共模谐振点很好地移出频带外。其中，四金属短路柱结构中左边两根金属短路柱结构将所述六边形偶极子辐射结构的左臂和所述金属地板电连接在一起，右边两根金属短路柱结构端将所述六边形偶极子辐射结构的右臂和所述金属地板电连接在一起，且左右两边的两根金属短路柱的位置关于中心对称。

这里，我们选择N＝4对该棋盘型强互耦宽带相控阵天线进行布阵，其中由第一强互耦天线单元周期组成的4×4第一子阵和第二强互耦天线单元周期组成的4×4第二子阵按照棋盘方式交叉排列构成8×8阵列；参考阵列则是由第一强互耦天线单元周期排布组成8×8阵列。而本发明中的第一强互耦天线单元和第二强互耦天线单元的结构均包括：单层介质基板、金属地板、非平衡馈电结构、馈电同轴连接器；所述第一强互耦天线单元还包括加载金属条带的偶极子辐射结构、双金属短路柱；所述第二强互耦天线单元还包括加载六边形偶极子辐射结构和四金属短路柱结构。

综上所述，本发明的有益之处是：提出了一个基于双天线单元棋盘型组阵的低剖面低散射强互耦宽带平面相控阵。它在8-12GHz频带范围内实现E面±45°，H面±45°的宽带宽角扫描特性，阵列天线总的剖面高度仅为0.127高频(12GHz)波长。且相对于传统的单一单元组成的参考阵列，本发明天线具有相似的辐射性能，并且在交叉极化入射波垂直照射的情况下，该棋盘型强互耦阵列天线的单站散射在8-15.2GHz的频段内能实现至少9dB的单站散射缩减。且，能够在X波段大角度范围内有大幅度的双站散射缩减。

附图说明

图1为该棋盘式低散射低剖面宽带平面相控阵的立体图，该图所示的阵列规模为8×8，由第一强互耦天线单元110组成的4×4第一子阵100和第二强互耦天线单元210组成的4×4第二子阵200按照棋盘方式交叉排列而成。

图2为图1中两种强互耦天线单元的周期单元模型图，第一强互耦天线单元110和第二强互耦天线单元210的结构均包括：单层介质基板11、金属地板12、非平衡馈电结构13、馈电同轴连接器14；图2(a)为第一强互耦天线单元的周期单元结构图，其结构还包括加载金属条带的偶极子辐射结构111、双金属短路柱112；图2(b)为第二强互耦天线单元的周期单元结构图，其结构还包括加载六边形偶极子辐射结构211和四金属短路柱结构212。

图3为第二强互耦天线单元210分别加载四金属短路柱212和双金属短路柱112时的侧射驻波曲线对比图。可以发现针对这种六边形偶极子辐射结构，选用一般的金属化短路柱无法将共模谐振点移出工作频带以外，这里提出的四金属化短路柱结构可以很好地解决这样的问题。

图4为图1中两种强互耦天线单元的驻波比随频率变化曲线。图4(a)为，具体实施案例中，第一强互耦天线单元110在8-12GHz频带内E面和H面扫描的驻波比；图4(b)为，具体实施案例中，第二强互耦天线单元210在8-12GHz频带内E面和H面扫描的驻波比；对比图4(a)和图4(b)可以发现，两种天线单元在不同扫描状态下，都能实现良好的阻抗匹配效果。

图5是，具体实施案例中，第一强互耦天线单元110和第二强互耦天线单元210各自的反射相位随频率变化曲线，以及他们的反射相位差随频率变化曲线；可以发现两种天线单元的反射相位差在7.6-14.2GHz的频带范围内满足10dBRCS缩减条件。

图6为，在相控阵天线处于不同扫描状态下，图1中的棋盘式阵列的实际增益随频率变化曲线、参考阵列的实际增益随频率变化曲线以及方向性系数随频率变化曲线对比。可以看出该发明的棋盘式阵列如同一般的参考阵列在工作频段内具有稳定的辐射性能。

图7为，在相控阵天线工作在典型频点10GHz时，图1中的棋盘式阵列与参考阵列的实际增益对应的侧射和扫描方向图对比。

图8为，在相控阵天线工作在典型频点10GHz时，图1中的棋盘式阵列与参考阵列的实际增益对应的侧射和扫描方向图对比；可以看出该发明的棋盘式阵列如同一般的参考阵列具有稳定且可扫描的辐射方向图。

图9为，交叉极化波垂直入射时，棋盘式阵列相对于参考阵列的RCS随频率变化曲线；该棋盘型强互耦阵列天线的单站散射在8-15.2GHz的频段内能实现至少9dB的单站散射缩减。

图10为，当频率位于10GHz，交叉极化波沿H面斜入射时，两个阵列的RCS随反射角度变化曲线，图10(a)为棋盘式阵列的RCS随反射角度变化曲线，图10(b)为参考阵列的RCS随反射角度变化曲线。表明了交叉极化波斜入射时，棋盘式阵列相对于参考阵列的镜像反射双站RCS具有很明显的缩减效果。对于交叉极化波沿E面斜入射的情况，该棋盘式阵列具有类似的镜像反射双站RCS缩减效果，这里不过多赘述。

图11为，交叉极化波沿H面斜入射时，棋盘式阵列相对于参考阵列的镜像反射双站RCS的缩减值随频率变化曲线。表明该发明的棋盘式阵列在工作频段X波段，都有明显的镜像反射双站RCS缩减。对于交叉极化波沿E面斜入射的情况，该棋盘式阵列具有类似的镜像反射双站RCS缩减效果，这里不过多赘述。

具体实施方案

实施案例：棋盘式低散射低剖面阵列

图1给出了该发明的棋盘式低散射低剖面阵列3D布局图。具体来说，将第一强互耦天线单元110沿着二维方向进行周期性复制形成4×4的第一子阵100，接着使用相同的操作将第二强互耦天线单元210形成4×4的第二子阵200，然后将第一子阵100和第二子阵200按照图1的方式棋盘式交叉排布形成最终的棋盘型低散射低剖面强互耦宽带相控阵。

图2(a)和图2(b)分别给出了第一强互耦天线单元110和第二强互耦天线单元210的周期结构模型图，采用周期边界条件对第一强互耦天线单元110和第二强互耦天线单元210进行仿真。其中第一强互耦天线单元110和所述第二强互耦天线单元210均包括单层介质基板11、金属地板12、非平衡馈电结构13、馈电同轴连接器14，其中，所述金属地板12蚀刻在所述单层介质基板11的下表面，所述非平衡馈电结构13位于所述单层介质11的内部，所述馈电同轴连接器14位于所述金属地板12下方并端接所述非平衡馈电结构13。根据图2(a)所示，第一强互耦天线单元110还包括加载金属条带的偶极子辐射结构111、双金属短路柱112，其中，所述加载金属条带的偶极子辐射结构111蚀刻于所述单层基板11的上表面，所述双金属短路柱112位于所述单层介质11的内部，并且上接偶极子辐射结构111的两臂，下接所述金属地板12。根据图2(b)所示，第二强互耦天线单元210还包括加载六边形偶极子辐射结构211和四金属短路柱结构212，其中，所述加载六边形偶极子辐射结构211蚀刻于所述单层基板11的上表面，所述四金属短路柱结构212位于所述单层介质11的内部并且上接载六边形偶极子辐射结构211的两臂，下接所述金属地板12；

图3说明了四金属短路柱212能够很好地将第二强互耦天线单元210中的共模谐振点移除到工作频段范围以外。图4(a)和图4(b)分别给出了第一强互耦天线单元110和第二强互耦天线单元210的扫描驻波比特性，说明从阻抗匹配的角度来看，两个天线单元都能在8-12GHz的频段内实现二维45°扫描。由图5可以发现两个天线单元能够在7.6-14.2GHz的频带范围内满足180°±37°的相位差范围。

将两个单元组成如图1所示的棋盘型阵列后，对该棋盘阵列和参考阵列(仅由第一强互耦天线单元110构成)进行全波仿真以进行辐射性能对比。图6至图8说明该发明阵列如同参考阵列一样，能够在8-12GHz工作频段内稳定地扫描至±45°。

将两个单元组成如图1所示的棋盘型阵列后，对该棋盘阵列和参考阵列(仅由第一强互耦天线单元110构成)在全端口端接匹配负载的情况下，进行全波仿真以进行散射性能对比。图9说明该发明阵列相对于参考阵列的单站散射在8-15.2GHz的频段内能实现至少9dB的单站散射缩减。图10(a)和图10(b)说明工作频率为10GHz时，交叉极化波斜入射时，该发明阵列相对于参考阵列的镜像反射双站RCS具有很明显的缩减效果。图11则表明该发明的棋盘式阵列在工作频段X波段内，相对于参考阵列，都有明显的镜像反射双站RCS缩减。

前面已经描述本发明的具体实施例，应该理解这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作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)

1.一种棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵，其特征在于，包括至少两个第一子阵(100)和至少两个第二子阵(200)，且多个所述第一子阵(100)和多个所述第二子阵(200)之间按棋盘方式交叉排列即与第一子阵相邻的均为第二子阵，与第二子阵相邻的均为第一子阵；所述第一子阵(100)由N×N的第一强互耦天线单元(110)组成，所述第二子阵(200)由N×N的第二强互耦天线单元(210)组成，其中，N≥2；所述第一强互耦天线单元(110)和所述第二强互耦天线单元(210)均包括单层介质基板(11)、金属地板(12)、非平衡馈电结构(13)、馈电同轴连接器(14)，其中，所述金属地板(12)蚀刻在所述单层介质基板(11)的下表面，所述非平衡馈电结构(13)位于所述单层介质基板(11)的内部，所述馈电同轴连接器(14)位于所述金属地板(12)下方并端接所述非平衡馈电结构(13)；所述第一强互耦天线单元(110)还包括加载金属条带的偶极子辐射结构(111)、双金属短路柱(112)，其中，所述加载金属条带的偶极子辐射结构(111)蚀刻于所述单层介质基板(11)的上表面，所述双金属短路柱(112)位于所述单层介质基板(11)的内部，并且上接加载金属条带的偶极子辐射结构(111)的两臂，下接所述金属地板(12)；所述第二强互耦天线单元(210)还包括偶极子辐射结构(211)和四金属短路柱结构(212)，其中，所述偶极子辐射结构(211)蚀刻于所述单层介质基板(11)的上表面，所述四金属短路柱结构(212)位于所述单层介质基板(11)的内部，并且上接偶极子辐射结构(211)的两臂，下接所述金属地板(12)。

2.根据权利要求1所述的棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵，其特征在于，所述偶极子辐射结构(211)为六边形。

3.根据权利要求1所述的棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵，其特征在于，所述第一子阵(100)以及所述第二子阵(200)中，N＝4。

4.根据权利要求1所述的棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵，其特征在于，所述四金属短路柱结构(212)相较于一般的双金属短路柱(112)，增加了金属短路柱的数量；其中左边两根金属短路柱结构将所述偶极子辐射结构(211)的左臂和所述金属地板(12)电连接在一起，右边两根金属短路柱结构端将所述偶极子辐射结构(211)的右臂和所述金属地板(12)电连接在一起，且左右两边的两根金属短路柱的位置关于中心对称。

5.根据权利要求1所述的棋盘型低散射低剖面强互耦宽带平面相控阵，其特征在于，第一强互耦天线单元(110)采用与第二强互耦天线单元(210)相同类型和厚度的介质基板。

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