CN113690628B - 基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线 - Google Patents

基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线，属于天线工程技术，天线隐身领域。通过对新型电磁超材料的设计，得到两个在工作频带6‑18GHz内反射相位相反的基本单元“单元1”和“单元2”，通过对“单元”和“单元2”组成的子阵进行合理排布，最终在保证良好辐射性能的同时在6‑18GHz内实现了平均12dB的RCS缩减效果。

Description

基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术，天线隐身领域，涉及人工电磁超表面，具体来说是结合新型电磁超材料的超宽带强耦合相控阵天线。
背景技术
雷达散射截面(Radar Cross Section)，缩写为RCS，表征了目标在平面波照射下所产生回波强度的一种物理量，在如今电子战中，隐身成为了重要的一部分，天线本身又是具有强散射特性的结构。因此，在不影响天线辐射性能的前提下降低其RCS对于作战十分有利。
相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变天线方向图形状的天线，通过控制相位改变天线方向图的最大指向，从而达到波束扫描的目的。由于其波束扫描速度快，跟踪精度高等优点被人们广泛使用。
传统相控阵天线的设计思路为“从孤立单元到整体”，尽量降低单元之间的耦合，强耦合相控阵天线采用了与传统相控阵天线截然相反的设计思路。在美国专利号6512487的专利“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and AssociatedMethods)中，第一次提出了利用阵元之间的耦合，使得电流变成类似“连续电流片”的形式，这种形式的天线馈电节点处输入阻抗特性随频率变化减缓，从而达到了宽带特性。
人工电磁超表面是人工设计的二维周期结构，是按照一定的排列组合而成的人工复合结构，通过对超表面单元的调控，可以调控电磁波相位、幅度以及极化。人工电磁超表面具有可设计的电磁波反射和透射特性，在调控电磁波的传播方面有着重要的应用价值。
在公开号为CN 112436288 A的专利中，一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法及结构被提出，文中采用了两种反射相位不同的单元进行棋盘式排列，并且构建频率选择表面吸波体，结合棋盘结构的相位相消与频率选择表面吸波体的阻抗吸波机理，实现了工作频段的叠加，将不同的RCS缩减机理结合，实现了超宽带RCS缩减性能。但是该方法在缩减频带内RCS缩减值平均不到5dB,并且未考虑实际应用到天线中时对于天线辐射性能的影响。
在公开号为CN 107331977 A的专利中，一种基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强耦合相控阵天线被提出，该天线将电磁波极化方向相反的极化转换单元对称排列，使得电磁波相互抵消，在宽频带内降低天线RCS，但仅有少量频点RCS缩减值大于10dB。
面对以上应用需求，本发明公开了一种基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线，通过对超宽带相控阵天线匹配层的相位调控，在基本不影响辐射性能的前提下改善其带内交叉极化分量的电磁散射特性。
发明内容
本发明鉴于上述背景而实现，克服了现有技术的不足，提出了基于新型电磁超材料的超宽带强耦合相控阵低RCS天线，可用于天线隐身领域。
为实现上述发明目的，本发明采用一种超宽带紧耦合偶极子天线阵列，结合了超表面和天线结构，能够在3个倍频程内实现E面±60°扫描以及H面±45°扫描。该天线包括两种基本单元，分别是“单元1”和“单元2”，通过对两种单元的排布，在天线工作频带内实现平均12dB的RCS缩减，并且不影响天线自身辐射性能。
本发明采用如下技术方案：“单元1”和“单元2”均包括：金属地板(1)、位于金属地板上面的第一层介质基板(2)、位于第一层介质基板上面的第二层介质基板(3)、印刷于第一层介质基板上表面的条状金属贴片(4)、印刷于第二介质基板上表面的辐射偶极子贴片(5)、贯穿于金属地板、第一介质基板和第二介质基板的同轴线馈电结构(6)、贯穿于第一介质基板的两根调谐金属柱(7)，此外，“单元1”具有放置于第二层介质基板之上的第三层介质基板(81)作为宽角阻抗匹配层，“单元2”具有放置于第二层介质基板之上的新型电磁超材料作为宽角阻抗匹配层，所提出的新型电磁超材料由：加载在“单元2”第二层介质基板上的第三层介质基板(82)、嵌入介质基板(82)中的金属柱(83)以及印刷于介质基板(82)上面的“弓”字形金属条带(84)共同构成，两个单元分别组成两个子阵，再共同构成一个大阵列。本发明的基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线的设计方法，包括步骤如下：
1)设计出满足在6-18GHz内E面±60°扫描以及H面±45°扫描的天线作为基本天线单元，即“单元1”。
2)设计“单元2”匹配层的结构，通过对金属柱位置、直径、长度以及金属贴片位置与形状的调整，使得“单元1”与“单元2”在工作频带6-18GHz内能够获得相反相位差。
3)构建棋盘结构，所述棋盘结构由上述“单元1”和“单元2”构成，两个单元分别组成两个子阵，再共同构成一个大阵列。
总体而言，通过本发明所提出的技术方案创新性如下：
本发明提出了一款新型电磁超材料，该电磁超材料不同于普通的电磁超材料仅利用周期性金属贴片获得期望的性能，还将金属柱嵌入宽角阻抗匹配层中，使得所设计的新型电磁超材料能在更宽的工作频带上获得相反的相位差同时保持良好的辐射性能，并将设计的电磁超材料应用于强耦合超宽带相控阵，最终实现了在工作频带6-18GHz内平均12dB的RCS缩减效果，同时也保证了天线的辐射特性。
附图说明
图1是本发明实施例“单元1”的结构图。
图2是本发明实施例“单元2”的结构图。
图3是本发明实施例两个单元的反射相位曲线图。
图4是本发明实施例“单元1”在6-18GHz频带内E面和H面扫描的驻波特性。
图5是本发明实施例“单元2”在6-18GHz频带内E面和H面扫描的驻波特性。
图6是本发明的无新型电磁超材料加载的超宽带强耦合相控阵天线，作为“参考阵列天线”。
图7是本发明的基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线，即“低散射阵列天线”。
图8是本发明的基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线在几个典型频点下的E面辐射方向图。其中图8(a)为8GHz下低散射超宽带强耦合相控阵天线的E面辐射方向图，图8(b)为12GHz下低散射超宽带强耦合相控阵天线的E面辐射方向图,图8(c)为16GHz下低散射超宽带强耦合相控阵天线的E面辐射方向图。
图9是本发明的基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线在几个典型频点下的H面辐射方向图。其中图9(a)为8GHz下低散射超宽带强耦合相控阵天线的H面辐射方向图，图9(b)为12GHz下低散射超宽带强耦合相控阵天线的H面辐射方向图,图9(c)为16GHz下低散射超宽带强耦合相控阵天线的H面辐射方向图。
图10是本发明实施例提供的侧射时低散射天线阵列辐射效率。
图11是TM波垂直入射参考阵列与低散射阵列的RCS曲线对比图。
具体实施方案
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线，分别设计两个具有相位相消效应的天线单元“单元1”和“单元2”，两个单元分别组成两个子阵，再共同构成一个大阵列。利用不同单元之间的相位差特性，使得电磁波产生相位相消干涉，抑制来波方向的电磁波，使其向其它的方向散射，实现电磁能量的空间扩展，从而达到减小目标镜像方向上RCS的目的。RCS缩减大小由两种棋盘单元的反射相位差决定，若实现棋盘结构的RCS缩减10dB以上，两种棋盘单元反射相位差的绝对值应满足：
Figure BDA0003229168350000041
其中，
Figure BDA0003229168350000042
和
Figure BDA0003229168350000043
分别为两种棋盘单元的反射相位，范围为0°～360°。通过软件仿真优化两种棋盘单元的几何参数，使得两者在工作频段内满足上式所述的有效反射相位差。
图1、图2为本发明实施例中“单元1”和“单元2”的结构图。其中“单元1”包括：金属地板(1)、位于金属地板上面的第一介质基板(2)、位于第一介质基板上面的第二介质基板(3)、印刷于第一介质层基板上表面的条状金属贴片(4)、印刷于第二介质基板上表面的辐射偶极子贴片(5)、贯穿于金属地板、第一介质基板和第二介质基板的同轴线馈电结构(6)、贯穿于第一介质基板的两根调谐金属柱(7)以及作为宽角阻抗匹配层的第三介质基板(81)。“单元2”拥有“单元1”除宽角阻抗匹配层结构以外的所有结构，并且由新型电磁超材料作为“单元2”的宽角阻抗匹配层。所提出的新型电磁超材料由：与“单元1”宽角阻抗匹配层相同的介质基板(82)、嵌入介质基板(82)中的金属柱(83)以及印刷于介质基板(82)上面的“弓”字形金属条带(84)共同构成。整个天线结构为高频波长的0.381倍，满足了天线的低剖面要求。
图3为“单元1”和“单元2”在电磁波垂直入射时反射相位。
图4和图5分别为“单元1”和“单元2”在侧射、E面60°扫描和H面45°扫描时的驻波比，除了“单元1”侧射驻波比外，其余驻波比在6-18GHz内都满足小于2.5。
图6和图7为本实施例的参考阵列天线和低散射阵列天线，其中无新型电磁超材料加载的超宽带强耦合相控阵天线是由“单元1”组成的阵列，基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线由“单元1”和“单元2”分别组成两个子阵，再共同构成一个大阵列。
图8和图9为本发明的低散射阵列天线在8GHz、12GHz和16GHz下的E面和H面辐射方向图，图10为本发明的基于无源反射对消原理的低散射超宽带强耦合相控阵天线在6-18GHz内的辐射效率图，可以看出该实施例在工作频段6-18GHz拥有良好的辐射性能。
图11为本发明实施例中TM波垂直入射参考阵列天线与低散射阵列天线的RCS曲线以及RCS缩减值对比图。在8-17GHz内都能达到10dB以上的缩减，在6-18GHz内达到了平均12dB的RCS缩减。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (1)

1.基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线，包括两种仅有宽角阻抗匹配层不同的单元，分别是“单元1”和“单元2”，“单元1”和“单元2”均包括：金属地板（1）、位于金属地板（1）上面的第一层介质基板（2）、位于第一层介质基板（2）上面的第二层介质基板（3）、印刷于第一层介质基板（2）上表面的条状金属贴片（4）、印刷于第二层介质基板（3）上表面的辐射偶极子贴片（5）、贯穿于金属地板（1）、第一层介质基板（2）和第二层介质基板（3）的同轴线馈电结构（6）、贯穿于第一层介质基板（2）的两根调谐金属柱（7），此外，“单元1”具有放置于第二层介质基板（3）之上的第三层介质基板（81）作为宽角阻抗匹配层，“单元2”具有放置于第二层介质基板（3）之上的新型电磁超材料作为宽角阻抗匹配层，所提出的新型电磁超材料由：加载在“单元2”的第二层介质基板上（3）的第三层介质基板（82）、垂直嵌入第三层介质基板（82）中的六根金属柱（83）以及印刷于第三层介质基板（82）上表面的五条金属条带（84）共同构成；其中，六根金属柱（83）排成三列，每列有两根金属柱（83），每列中两根金属柱（83）的连线均与两根调谐金属柱（7）的连线平行；每条金属条带（84）均包括七个子段，其中，第一子段为一直线段，第二子段的第一端连接于第一子段的中心点并垂直延伸，第三子段的第一端与第二子段的第二端相连并弯折延伸，第四子段的第一端与第三子段的第二端相连并向远离第一子段的方向延伸，第五子段的第一端与第四子段的第二端相连并向朝向第二子段的方向弯折延伸，第六子段的第一端与第五子段的第二端相连并向远离第一子段的方向延伸，第六子段的第二端与第七子段的中心点连接，第七子段与第一子段平行设置；“单元1”和“单元2”在工作频带内反射相位差的绝对值满足143°≤|𝜑1-𝜑2|≤217°，其中，𝜑1为“单元1”的反射相位，𝜑2为“单元2”的反射相位，再将“单元1”和“单元2”分别组成5×10的子阵列并将两个子阵列拼成一个10×10的大阵列，最终能在不影响天线辐射性能的情况下，实现天线工作频带6-18GHz内平均12dB的RCS缩减。
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