CN112310649A - 基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵 - Google Patents

基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵天线，该它在6‑18GHz的宽频带内实现了E面±70°扫描和H面±60°扫描，其剖面高度仅为0.28个高频(18GHz)波长。加载的电磁超材料由开口环周期结构、工字型阻性贴片、相交长条周期结构以及多层宽角阻抗匹配层构成，通过电磁超材料与相控阵天线的一体化设计，实现了相控阵天线在具有超宽带超宽角扫描特性的同时，具有显著低的剖面高度。此外，在相控阵天线工作频的全频频范围内显著地降低相控阵天线自身的交叉极化RCS，同时相控阵天线的辐射效率保持在95％以上。

Description

基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及低剖面、低散射超宽带宽角扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，加载了电磁超材料的，剖面较低的，散射特性良好，能实现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平台。
背景技术
随着信息化战争的日渐发展，尤其是雷达探测技术的飞速进步，隐身技术在现代电子战争中占有越来越重要的地位。雷达散射截面(Radar Cross Section)，简称为RCS，是衡量被探测目标隐身性能的重要指标。雷达散射截面的大小直接决定了被探测目标的隐身性能，天线作为载体平台的强散射源之一，对其RCS有着巨大的影响。而天线作为有源目标，在对其进行隐身处理时必须保证其能够正常地收发电磁波，因此常规的隐身手段无法直接作用于天线。传统的宽带相控阵由于在设计阵元时不考虑单元间的互耦，因此组阵后在较大程度上影响相控阵工作带宽。而且，具有宽频带特性的传统相控阵单元一般都具有较大的横向或纵向尺寸。横向尺寸太大，则影响相控阵列的宽带宽角扫描特性；纵向尺寸太大，则不适合平面结构的实现，不便于共形。
基于强互耦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。其特点是通过缩小距离，加强耦合，直接利用单元间的强互耦效应形成连续电流，克服了互耦效应对天线带宽和扫描角的限制。经过近年的研究表明：强互耦宽带相控阵天线具有非常好的超宽频带特性，较传统相控阵天线更宽的无栅瓣扫描角，此外，它还具有低剖面，且整体呈平面结构，易于与飞行器等载体实现共形，对载体整体气动性能影响很小等特点。然而这种强互耦相控阵依旧存在着天线剖面较高，二维扫描效果差等缺点。同时该团队也并未对天线散射特性加以研究或进行控制，因此天线本身并不具有低RCS特性。
超材料是一种人工设计其结构组成的材料，它们的性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小，其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长。2008年Landy在超材料的基础上提出了一种吸波超材料，当电磁波入射到吸波超材料时，由于其对电磁波既不反射也不透射的作用，这种材料表现出完全吸收特性。吸波超材料由于其完美电磁波吸收性能性能，为天线的隐身设计打开了新的思路。
在中国专利申请号201110321595.7的专利“基于完全吸收器的低RCS微带天线”中，提出了一种基于吸波超材料的吸波特性而设计出的微带天线，在微带天线地板上加载吸波超材料后，可以使得微带天线RCS缩减8-15dB。但是由于这种微带天线设计本身属于窄带结构，其自身工作频段不宽，难以满足现代雷达系统所要求的超宽带特性，并且也难以实现相控阵的宽角扫描性能。同时，该专利设计的吸波超材料由金属圆环构成，其工作频段较窄，无法应用于具有超宽带特性的天线形式上。
为了进一步优化强耦合天线阵的辐射性能以及对其散射性能进行控制，一些改进形式的强耦合天线阵被提出。中国专利申请号为201710509295.9的专利“基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线”在强耦合天线阵的地板上方放置具有极化旋转效应的超材料来缩减天线的RCS，具有一定的效果。但该结构为了不影响天线的辐射性能，只适用于天线工作频带外的RCS缩减。
Stefan Varault于2017年在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊发表了一篇题为“RCS Reduction with a Dual polarized self-ComplementaryConnected Array Antenna“的文章。这篇文章提出了一种双极化棋盘状自互补天线的电路模型，利用该电路模型快速优化阵列单元的反射系数，最终设计出一款实现超宽带低散射特性的相控阵。但该篇文章在优化天线的散射时，只考虑了天线的模式项散射，并未对天线的结构项散射有具体的分析。此外设计者没有为这款天线设计出合适的馈电结构，仅考虑了理想情况下的天线辐射特性。因此该款天线的工程实现仍是一大挑战。
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，提出了一种相控阵天线设计时辐射与散射平衡的设计思路，但在评估其散射特性时，只考量了同极化波垂直入射时的单站RCS，并没有针对交叉极化波入射时的RCS进行缩减，同时也没有给出电磁波大角度斜入射时的RCS缩减效果。
在申请号为201811565247.2的中国专利“一种基于阻性超材料加载的低RCS超宽带相连长槽天线阵”中，提出在强耦合的相连长槽天线上加载呈周期性排列的阻性贴片。该阻性贴片构成具有频率选择性的电磁超材料，在基本不影响天线辐射性能的情况下，在天线工作频带外实现宽带及大角度的RCS缩减。但该款专利并未对天线工作频带内的RCS进行缩减。
在申请号为201910271633.9的中国专利“基于极化选择吸波器加载的低剖面低散射超宽带阵”中，提出在强耦合的相控阵天线上加载具有极化选择性质的吸波器，在基本不影响天线辐射性能的情况下，在天线工作频带内实现全频段的RCS缩减。但该款专利并未对过多关注相控阵的剖面高度以及扫描角范围，天线剖面高度达到0.42个高频波长。
基于以上应用需求，本发明提出一种基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵，使得具有低剖面特性的超宽带相控阵能够在±70°范围内扫描，同时天线的工作频带内的散射特性也得到抑制。
发明内容
在上述的发明背景下，本发明在Munk关于强耦合天线阵的理论基础上提出了一种在辐射片上方加载电磁超材料的，新型低散射超宽带强互耦相控阵天线。在6-18GHz频带范围内实现了E面±70°，H面±60°扫描驻波比小于3的宽带宽角扫描性能，天线(包括宽角阻抗匹配层)的总剖面高度仅为0.28高频(18GHz)波长。且通过在宽角阻抗匹层之间放置周期性开口环、阻性贴片以及周期性的相交金属长条结构，构成辐射与散射一体化的电磁超材料，该电磁超材料能够显著降低超宽带宽角扫描相控阵的剖面高度，在基本不影响天线辐射性能的情况下，能够在天线工作频带内显著地降低入射波为交叉极化电磁波的RCS。
本发明提出的技术方案如下：使用印刷在介质层的强互耦偶极子作为天线的辐射单元。偶极子单元的介质层与金属地之间使用介质基板进行支撑，在介质基板上打通孔，降低等效介电常数，将表面波引起的扫描盲点移出工作频带。同时，天线采用非平衡馈电结构，将偶极子臂两端金属化过孔接地，使得由非平衡馈电引起的共模谐振搬离出天线工作频带范围。偶极子辐射单元上方加载电磁超材料，加载的电磁超材料由：宽角阻抗匹配层、阻性印刷介质层、开口环、工字型阻性贴片以及周期性相交长条金属图案几部分构成。在两列开口环中间留有足够的空间容许工字型阻性贴片放置，在不改变剖面高度以及保证高辐射效率的情况下完成工字型阻性贴片放置，实现散射缩减。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：天线的非平衡馈电结构(1)；两个金属短路柱(2)；具有一定厚度的金属地板(3)；位于所述金属地板上方用于支撑的介质基板(4)；印刷在上述支撑介质基板上表面的强电容耦合结构的偶极子辐射单元(5)，所述两个金属短路柱分别设置于偶极子辐射单元的左右臂；位于支撑介质基板上方的第一层宽角阻抗匹配层(6)；位于第一层宽角阻抗匹配层上方的阻性印刷介质层(7)；位于阻性印刷介质层上方的第二层宽角阻抗匹配层(8)；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(9)，所述开口环每3个沿着垂直于偶极子臂的方向排成1列共排成两列，两列中间留有足够的放置空间；印刷在阻性印刷介质层的工字型阻性贴片(10)，该工字型阻性贴片放置于上述两列开口环所留空间中不与开口环有接触；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的周期性相交长条金属图案(11)，该周期性图案每个小单元由两个相交长条构成，每一维以4个夹角为0°、45°、90°以及45°的相交长条构成一个周期，在二维平面上16个单元构成一个周期。加载的电磁超材料由：第一层和第二层宽角阻抗匹配层(6)(8)、阻性印刷介质层(7)、开口环(9)、工字型阻性贴片(10)以及第二层宽角阻抗匹配层上方的周期性金属图案(11)几部分构成。
本发明的创新之处在于：在强耦合天线单元上方加载电磁超材料，显著降低了相控阵天线的剖面高度，拓宽了相控阵天线的扫描角范围，降低天线散射的同时，基本不影响天线的辐射性能。加载的电磁超材料由：宽角阻抗匹配层、阻性印刷介质层、开口环、工字型阻性贴片以及周期性相交长条金属结构几部分构成。其中宽角阻抗匹配层、开口环以及周期性相交长条金属结构起到阻抗变换的作用，将空间中的377欧姆变换到更低的阻抗水平，补偿天线扫描时带来的阻抗变化，改善宽角扫描驻波，使得相控阵天线在低剖面高度下就能实现超宽带以及超宽角扫描。此外，有一个夹角变化的相交金属长条，能更有效地补偿天线扫描时带来的阻抗变化，有助于降低剖面高度。同时，宽角阻抗匹配层、阻性印刷介质层、开口环、工字型阻性贴片以及周期性相交长条金属结构又能够吸收交叉极化的入射波，同时对相控阵天线的辐射性能不产生影响。在两列开口环中间留有足够的空间容许工字型阻性贴片放置，在不改变剖面高度以及保证高辐射效率的情况下完成工字型阻性贴片放置，实现散射缩减。
综上所述，本发明的有益之处是：提出了一种基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵。它在6-18GHz频带内实现了E面±70°和H面±60°扫描驻波比小于3，天线整体剖面高度仅为0.28个高频(18GHz)波长，同时在不影响天线自身辐射性能的前提下，能够在天线工作全频带范围内显著地降低正入射时交叉极化的RCS。
附图说明
图1为基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控天线阵的立体图。该图所示的天线阵列为8×8大小。
图2为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控天线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：天线的非平衡馈电结构(1)；两个金属短路柱(2)；具有一定厚度的金属地板(3)；位于所述金属地板上方用于支撑的介质基板(4)；印刷在上述支撑介质基板上表面的强电容耦合结构的偶极子辐射单元(5)，所述两个金属短路柱分别设置于偶极子辐射单元的左右臂；位于支撑介质基板上方的第一层宽角阻抗匹配层(6)；位于第一层宽角阻抗匹配层上方的阻性印刷介质层(7)；位于阻性印刷介质层上方的第二层宽角阻抗匹配层(8)；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(9)，所述开口环每3个沿着垂直于偶极子臂的方向排成1列共排成两列，两列中间留有足够的放置空间；印刷在阻性印刷介质层的工字型阻性贴片(10)，该工字型阻性贴片放置于上述两列开口环所留空间中不与开口环有接触；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的周期性相交长条金属图案(11)，该周期性图案每个小单元由两个相交长条构成，每一维以4个夹角为0°、45°、90°以及45°的相交长条构成一个周期，在二维平面上16个单元构成一个周期。。
图3为具体实施例1中的天线单元在6-18GHz频带内H面扫描时的驻波比。由图可见，例1研制出的电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控天线阵在6-18GHz频带内H面0-60°扫描时的驻波比小于3.0。
图4为具体实施例1中的天线单元在6-18GHz频带内E面扫描时的驻波比。由图可见，例1研制出的电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控天线阵在6-18GHz频带内E面0-70°扫描时的驻波比小于3.0。
图5为具体实施例1中的天线单元加载与未加载开口环以及相交金属条结构前后在H面扫描时的驻波比对比图。由图可见，例1研制出的开口环以及相交金属条的组合结构能够有效改善相控阵天线在H面大角度扫描时的驻波。
图6为具体实施例1在侧射、H面60°扫描以及E面70°扫描时，天线的辐射效率。由图可见，在天线工作的全频带内其辐射效率都在95％以上。
图7为具体实施例1在侧射时，天线的主极化以及交叉极化。由图可见，在天线工作的全频带内其主极化增益正常，交叉极化水平低于-30dB。
图8为具体实施例1时，在周期环境下组成8×8的相控阵天线工作在12GHz，在E面侧射、扫描角为30°、60°的辐射方向图。由图可见，该阵列在侧射和不同扫描角度上具有稳定的波束指向，扫描时的辐射性能良好。
图9为具体实施例1时，在周期环境下组成8×8的相控阵天线工作在12GHz，在H面侧射、扫描角为30°、60°的辐射方向图。由图可见，该阵列在侧射和不同扫描角度上具有稳定的波束指向，扫描时的辐射性能良好。
图10为具体实施例1天线辐射贴片上方加载电磁超材料以及不实施上述方法，交叉极化波垂直入射时的单站RCS结果图。可见，在交叉极化波垂直入射时，例1在全频带内具有显著的RCS缩减效果。且在X波段实现至少15dB以上的RCS缩减。
具体实施方案
实施例1
参照图1至图2，实施例1由一层印刷有紧密排列偶单元的周期结构构成，采用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：天线的非平衡馈电结构(1)；两个金属短路柱(2)；具有一定厚度的金属地板(3)；位于所述金属地板上方用于支撑的介质基板(4)；印刷在上述支撑介质基板上表面的强电容耦合结构的偶极子辐射单元(5)，所述两个金属短路柱分别设置于偶极子辐射单元的左右臂；位于支撑介质基板上方的第一层宽角阻抗匹配层(6)；位于第一层宽角阻抗匹配层上方的阻性印刷介质层(7)；位于阻性印刷介质层上方的第二层宽角阻抗匹配层(8)；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(9)，所述开口环每3个沿着垂直于偶极子臂的方向排成1列共排成两列，两列中间留有足够的放置空间；印刷在阻性印刷介质层的工字型阻性贴片(10)，该工字型阻性贴片放置于上述两列开口环所留空间中不与开口环有接触；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的周期性相交长条金属图案(11)，该周期性图案每个小单元由两个相交长条构成，每一维以4个夹角为0°、45°、90°以及45°的相交长条构成一个周期，在二维平面上16个单元构成一个周期。
图3至图9给出了实施例1单元在扫描时的驻波比特性和辐射特性。可见，本实施例1的宽带相控阵至少具有3:1的阻抗带宽，实现了在6-18GHz范围内的二维宽角扫描，E面0-70°扫描时的驻波比小于3.0，H面0-60°扫描时的驻波比小于3.0。天线阵列不同扫描角度上都具有稳定的波束指向，说明扫描时的辐射性能良好。
图5给出了加载开口环以及交叉金属长条结构前后，在H面的驻波比较图。其全频段驻波基本上比不实施上述方法有明显改善，说明该结构对扫描角的改善有很大作用。
图6给出了相控阵天线的辐射效率图。可见其全频段辐射效率高于95％，说明了该电磁超材料的加载对天线的辐射性能无明显的恶化作用。
图10给出了实例1的加载电磁材料前后的单站RCS图，从图10可以看出，电磁超材料的加载有效降低了天线的带内RCS，尤其在X波段实现至少15dB的RCS缩减。
具体地。将每个天线单元(如图2所示)沿着阵面二维方向分别延伸，即可构成图1中的8×8的极电磁超材料加载的低剖面低散射超宽带相控阵。其他结构和实施例1中的一样，这里就不予赘述。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多个实施例，应该理解他们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 (4)

1.基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵，它包括:天线的非平衡馈电结构(1)；两个金属短路柱(2)；具有一定厚度的金属地板(3)；位于所述金属地板上方用于支撑的介质基板(4)；印刷在上述支撑介质基板上表面的强电容耦合结构的偶极子辐射单元(5)，所述两个金属短路柱分别设置于偶极子辐射单元的左右臂；位于支撑介质基板上方的第一层宽角阻抗匹配层(6)；位于第一层宽角阻抗匹配层上方的阻性印刷介质层(7)；位于阻性印刷介质层上方的第二层宽角阻抗匹配层(8)；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(9)，所述开口环每3个沿着垂直于偶极子臂的方向排成1列共排成两列，两列中间留有足够的放置空间；印刷在阻性印刷介质层的工字型阻性贴片(10)，该工字型阻性贴片放置于上述两列开口环所留空间中不与开口环有接触；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的周期性相交长条金属图案(11)，该周期性图案每个小单元由两个相交长条构成，每一维以4个夹角为0°、45°、90°以及45°的相交长条构成一个周期，在二维平面上16个单元构成一个周期；加载的电磁超材料由：第一层和第二层宽角阻抗匹配层(6)(8)、阻性印刷介质层(7)、开口环(9)、工字型阻性贴片(10)以及第二层宽角阻抗匹配层上方的周期性金属图案(11)几部分构成。
2.根据权利要求1所述的基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵，其特征在于：将所述的周期性开口环金属图案与相交长条金属图案加载于偶极子辐射单元上方，使得超宽带相控阵天线在具有超低剖面高度的情况下具有超宽的扫描角范围。
3.根据权利要求1所述的基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵，其特征还在于：在偶极子辐射单元上方加载工字型阻性贴片，在保证相控阵天线高辐射效率的情况下有效缩减带内散射特性。
4.根据权利要求1所述的基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵，其特征还在于：在两列开口环中间留有足够的空间容许工字型阻性贴片放置，在不改变剖面高度以及保证高辐射效率的情况下完成工字型阻性贴片放置，实现散射缩减。
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