CN113067139B - 基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵 - Google Patents

基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵天线，它完全共形于圆柱表面，在6‑18GHz的宽频带范围内实现了E面以及H面±45°扫描。通过在相控阵上加载由镂空偶极子金属图案以及贴片电阻构成的电磁吸波器，有效抑制共形相控阵散射特性的同时，基本不影响相控阵的辐射效率。最后，贴片电阻阻值呈现的非周期性变化进一步缩减了共形相控阵的RCS，将共形相控阵的散射特性抑制在极低的水平。

Description

基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及共形、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，加载了非周期性电磁超材料的，共形于圆柱载体的，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，但其并未对共形强耦合相控阵的散射特性进行研究。
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。
基于以上应用需求，本发明提出一种基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵天线。
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圆柱形载体平台的，超宽带低散射强耦合共形相控阵天线。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。且通过在第二宽角阻抗匹层下方印刷有镂空的偶极子金属图案，且在镂空偶极子臂两端焊接贴片电阻，构成共形电磁吸波器。该电磁吸波器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。此外，不同于传统的相控阵散射缩减采用周期性单元的手段，设计的相控阵中每个天线单元的贴片电阻值根据其位置的不同发生变化，能够实现更明显的散射缩减。
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，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。为了缩减共形相控阵天线的RCS特性，在相控阵上方加载了共形于圆柱载体的电磁。为了更好地实现共形相控阵天线的RCS缩减，电磁吸波器中的贴片电阻其电阻值随着单元位置不同发生变化。该非周期性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第二层宽角阻抗匹配层(7)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层下方的镂空偶极子金属图案(8)；焊接在上述镂空偶极子两个偶极子臂两端的贴片电阻(9)，所述贴片电阻在共形相控阵中呈非周期性分布即处于相控阵不同位置的贴片电阻的阻值是变化的，且上述的第一层宽角阻抗匹配层打有介质通孔为贴片电阻提供放置空间；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(10)，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)。
本发明的创新之处在于：实现了具有极低散射特性的强耦合超宽带共形相控阵。一、在第二层宽角阻抗匹配层下方印刷有镂空的偶极子金属图案与贴片电阻构成电磁吸波器，该电磁吸波器在缩减相控阵散射特性的同时对相控阵的辐射效率基本无影响；二、传统相控阵中每个单元完全相同呈周期性排列，而本发明中相控阵中每个单元其焊接的贴片电阻阻值随着单元位置的不同发生变化，能在传统相控阵的基础上更明显地缩减阵列的RCS。
综上所述，本发明的有益之处是：提出了一种基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵。它实现在圆柱载体的完全共形化，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。具有非周期性分布电阻的共形电磁吸波器的加载能够在X波段显著地降低正入射时的RCS，相比于未加载电磁吸波器的共形相控阵能够实现30dB左右的RCS缩减，同时设计的共形相控阵天线保持有较高的辐射效率。
附图说明
图1为基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控天线阵的俯视图。该图所示的天线阵列为9×9大小。
图2为基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控天线阵的侧视图。该图所示的天线阵列为9×9大小。
图3为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形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第二层宽角阻抗匹配层(7)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层下方的镂空偶极子金属图案(8)；焊接在上述镂空偶极子两个偶极子臂两端的贴片电阻(9)，所述贴片电阻在共形相控阵中呈非周期性分布即处于相控阵不同位置的贴片电阻的阻值是变化的，且上述的第一层宽角阻抗匹配层打有介质通孔为贴片电阻提供放置空间；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(10)，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)。
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30°以及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30°以及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，考虑激励端口回波损耗的天线辐射效率。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共形相控阵不加载吸波器，加载具有周期性分布电阻的电磁吸波器(电阻值皆为120Ω)以及加载具有非周期性分布电阻的电磁吸波器，在交叉极化波垂直照射时的单站RCS结果图。可见，在交叉极化波垂直入射时，加载具有周期性分布电阻的电磁吸波器的共形相控阵在X波段内实现至少10dB以上的RCS缩减效果，而加载具有非周期性分布电阻的电磁吸波器的共形相控阵在X波段内实现30dB左右的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为圆柱载共形低散射超宽带强耦合相控阵，由图3中9×9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第二层宽角阻抗匹配层(7)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层下方的镂空偶极子金属图案(8)；焊接在上述镂空偶极子两个偶极子臂两端的贴片电阻(9)，所述贴片电阻在共形相控阵中呈非周期性分布即处于相控阵不同位置的贴片电阻的阻值是变化的，且上述的第一层宽角阻抗匹配层打有介质通孔为贴片电阻提供放置空间；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(10)，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)。
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。在考虑回波损耗的情况下，相控阵的辐射效率保持在很高的水平。
图9给出了实施例1共形有限大相控阵在不加载吸波器，加载具有周期性分布电阻的电磁吸波器(电阻值皆为120Ω)以及加载具有非周期性分布电阻的电磁吸波器三种情况下，交叉极化波垂直入射时的单站RCS结果图，从图可以看出，具有周期性分布电阻的电磁吸波器的加载有效降低了天线的带内RCS，在X波段内实现至少10dB的RCS缩减；而电阻的非周期性分布，使得相控阵的散射特性在上述基础上有了更明显的缩减，在X波段内实现30dB左右的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 (2)

1.基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵，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第二层宽角阻抗匹配层(7)；印刷在第二层宽角阻抗匹配层下方的镂空偶极子金属图案(8)；焊接在上述镂空偶极子两个偶极子臂两端的贴片电阻(9)，所述贴片电阻在共形相控阵中呈非周期性分布即处于相控阵不同位置的贴片电阻的阻值是变化的，与印刷的镂空偶极子结构构成共形电磁吸波器，能大幅度缩减超宽带共形相控阵的散射；且上述的第一层宽角阻抗匹配层(6)打有介质通孔为贴片电阻提供放置空间；印刷在第一层宽角阻抗匹配层上方的开口环金属图案(10)，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)。
2.据权利要求1所述的基于非周期性分布电阻加载的低散射超宽带共形相控阵，其特征还在于：共形电磁吸波器中采用镂空的偶极子金属图案作为基本单元，偶极子的镂空能够在电磁吸波器吸收率保持基本不变的情况下，有效减少电磁吸波器对相控阵天线辐射性能的影响，保证相控阵的高辐射效率。
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基于环状共形超表面的宽带低RCS微带天线;李桐;《2019年全国天线年会论文集（下册）》;20190722;第2368-2370页 *

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