CN112701495A - 基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵 - Google Patents

基于强耦合效应的锥台载二维共形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强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵天线，该它完全共形于锥台表面，偶极子辐射单元沿着圆周方向的间距随着锥台母线呈线性变化，呈现锥形变化的布阵方式，在6‑18GHz的宽频带范围内实现了E面以及H面±45°扫描。通过加载长条金属贴片，有效改善了由共形环境引起的有源驻波恶化。此外，准周期性电磁超材料的加载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，共形相控阵的总体辐射效率保证在较高水平。最后，全裂口环的应用帮助实现了相控阵天线在具有超宽带宽角扫描特性的同时，保证了相控阵天线的散射特性。

Description

基于强耦合效应的锥台载二维共形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，特别涉及二维共形、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，共形于锥台载体的，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与平台共形一体化，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。且在某些载体上，要求相控阵天线实现与载体的共形一体化。
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。
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。
对于共形相控阵的研究主要集中于窄带或者固定波束阵列，其中以微带贴片天线为典型代表。对于超宽带电扫描共形相控阵阵的研究很少被报道，尤其是对于天然具有低剖面特性的强耦合相控阵天线。
在申请号为201710515792.X的中国专利“一种强互耦超宽带宽角扫描双极化共形相控阵天线”中，提出了一种共形于锥台的强耦合相控阵天线，但其本质上只实现了一维共形即实现在圆柱体上的共形，并未对二维共形强耦合相控阵进行研究。此外，该相控阵天线并未对散射特性进行缩减
在申请号为201910388777.2的中国专利“基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵”中，提出将强耦合的相连长槽天线共形于机翼表面，同时加载阻性电磁超材料控制相控阵的散射特性。但是该阻性电磁超材料仅是简单的周期性圆形贴片结构，散射缩减的效果有限。且，阵列中有一半的单元是哑元，处于未激励状态，牺牲了一般的辐射口径。
基于以上应用需求，本发明提出一种基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵天线。
发明内容
在上述的发明背景下，本发明在强耦合平面天线阵的理论基础上提出了一种共形于锥台载体平台的，超宽带低散射强耦合二维共形相控阵天线。在6-18GHz 频带范围内实现了E面以及H面±45°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0.308个高频(18GHz)波长。且通过在宽角阻抗匹层上方加载阻性贴片，构成阻性电磁超材料，该电磁超材料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：使用印刷在共形介质层的强互耦偶极子作为天线的辐射单元。偶极子辐射单元的介质层与金属地之间使用介质基板进行支撑，将介质基板切割成长条状，降低介电常数的同时有利于相控阵天线的模块化安装。切割成长条状的偶极子子阵延伸方向与锥台的母线方向一致，子阵之间的距离沿着母线方向呈线性变化，实现阵列在锥台上的完全共形。由于共形环境的影响，相控阵天线单元之间的耦合减弱，导致低频的有源驻波特性恶化。为了加强耦合，在单元间引入长条金属贴片，有效改善了低频驻波。此外，为了缩减二维共形相控阵天线的RCS特性，在相控阵上方加载了共形于锥台载体的阻性贴片。为了更好地实现锥台共形相控阵天线的RCS缩减，该阻性贴片为锥台相控阵天线特殊化设计，打破了常规的周期性结构，其在周向方向的尺寸随着锥台母线呈线性变化，是一种准周期结构。该阻性准周期结构的加载有效缩减了相控阵天线的 RCS特性。因此，本发明的相控阵天线结构包括：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)；印刷在阻性印刷介质层的准周期性双矩形阻性贴片(9)，该阻性贴片与偶极子辐射单元相互正交；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的长条金属贴片 (10)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的全裂口金属环(11)，所述全裂口环沿着偶极子辐射单元布阵方向排列；阻性贴片(9)、宽角阻抗匹配层(6)(7)、全裂口环(11)以及介质基板(4)构成了共形电磁超材料。
本发明的创新之处在于：实现强耦合超宽带相控阵在锥台载体平台的共形一体化。一、为了补偿共形平台引起的耦合弱化，在相控阵单元上加载长条金属贴片，改善相控阵天线的有源驻波；二、为锥台共形相控阵天线特别设计了准周期性的阻性贴片，该贴片的尺寸沿锥台母线呈线性变化，有效控制了相控阵天线的散射特性；三、在天线上方加载了全裂口金属环，改善天线扫描驻波的同时保证了电磁超材料的吸波特性。
综上所述，本发明的有益之处是：提出了一种基于强耦合效应的锥台载二维共形超宽带低剖面射超宽带相控阵。它实现在锥台载体的完全共形化，且能实现模块化安装，加工与组装便利。在6-18GHz频带内实现了E面和H面±45°扫描驻波比小于3，天线整体剖面高度仅为0.308个高频(18GHz)波长，，能够在天线工作全频带范围内显著地降低正入射时的RCS，同时设计的共形相控阵天线保持有较高的。
附图说明
图1为基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控天线阵的俯视图。该图所示的天线阵列为9×10大小。
图2为基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控天线阵的侧视图。该图所示的天线阵列为9×10大小。
图3为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控天线阵包含一系列这种结构。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)；印刷在阻性印刷介质层的准周期性双矩形阻性贴片(9)，该阻性贴片与偶极子辐射单元相互正交；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的长条金属贴片(10)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的全裂口环金属环(11)，所述全裂口环沿着偶极子辐射单元布阵方向排列；阻性贴片(9)、宽角阻抗匹配层(6)(7)、全裂口环金属环(11)以及介质基板(4)构成了共形电磁超材料。
图4为具体实施例1中的中心单元在6-18GHz频带内E面和H面扫描时的驻波比。由图可见，例1研制出的二维共形低散射超宽带相控天线阵在6-18GHz 频带内E面和H面0-45°扫描时的驻波比小于3.0。
图5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6为具体实施例1中的共形相控阵工作在12GHz，在H面侧射、扫描角为 45°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7为具体实施例1中的共形相控阵工作在12GHz，在E面侧射、扫描角为 45°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8为具体实施例1在侧射时，天线的总体辐射效率。由图可见，在天线工作的全频带内保持较高的辐射效率。
图9为具体实施例1天线辐射贴片上方加载共形阻性贴片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在全频带内实现至少10dB以上的RCS缩减效果。
具体实施方案
实施例1
参照图1至图3，实施例1为锥台载二维共形低散射超宽带强耦合相控阵，由图3中9×10个单元组成阵列，将该有限大阵列放置于理想吸收边界条件下仿真。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)；印刷在阻性印刷介质层的准周期性双矩形阻性贴片(9)，该阻性贴片与偶极子辐射单元相互正交；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的长条金属贴片(10)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的全裂口环金属环(11)，所述全裂口环沿着偶极子辐射单元布阵方向排列；阻性贴片(9)、宽角阻抗匹配层(6)(7)、全裂口环金属环(11)以及介质基板(4)构成了共形电磁超材料。
图4给出了实施例1有限大相控阵中心单元在扫描时的驻波比特性。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面以及H面0-45°扫描时的驻波比小于3.0。
图5给出了实施例1共形有限大相控阵，在侧射时的随频率变化的主极化与交叉极化增益图。其增益曲线正常，交叉极化水平在-30dB以下。
图6以及图7给出了实施例1共形有限大相控阵在12.0GHz，H面以及E面的扫描方向图。可见其波束指向准确，方向图形状良好无畸变，。
图8给出了实施例1共形有限大相控阵在侧射时的随频率变化的总体辐射效率。在考虑了回波损耗以及阻性材料损耗的情况下，相控阵的总体辐射效率保持在较高水平。
图9给出了实施例1共形有限大相控阵在加载共形阻性贴片前后的单站RCS 图，可以看出，电磁超材料的加载有效降低了天线的带内RCS，在6-18GHz范围内实现至少10dB的RCS缩减。
前面已经描述本发明的实施例，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.基于强耦合效应的锥台载二维共形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)；印刷在阻性印刷介质层的准周期性双矩形阻性贴片(9)，该阻性贴片与偶极子辐射单元相互正交；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的长条金属贴片(10)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层上方的全裂口环金属环(11)，所述全裂口环沿着偶极子辐射单元布阵方向排列；阻性贴片(9)、宽角阻抗匹配层(6)(7)、全裂口环金属环(11)以及介质基板(4)构成了共形电磁超材料。
2.根据权利要求1所述的基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵，其特征在于：所述整个相控阵天线与锥台载体完全共形，偶极子辐射单元沿着圆周方向的间距随着锥台母线呈线性变化，在偶极子辐射单元上方加载长条金属贴片，能有效改善由锥台共形环境引起的相控阵有源驻波恶化。
3.根据权利要求1所述的基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵，其特征在于：所述的双矩形阻性贴片完全共形于载体表面，且其长度随着在锥台母线方向上的位置呈线性改变，是一种准周期结构，能保证锥台载共形相控阵的带内散射特性得到有效缩减。
4.根据权利要求1所述的基于强耦合效应的锥台载二维共形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采用全裂口环周期结构，该结构在改善相控阵扫描驻波特性的同时，对交叉极化入射波保持透射状态，保证了加载的共形电磁超材料吸收外来电磁波的能力。
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