CN113889759A - 一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线 - Google Patents

一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线，属于天线工程技术领域与雷达隐身技术领域。本发明结合有源对消技术与相控阵天线稀布技术，利用无源单元散射场，使其与有源单元散射场在来波方向抵消，产生散射缩减；基于相控阵天线散射机理选取适量的无源单元数量并通过改变其短路面的位置优化散射场相位，实现超低带内RCS；另一方面，采用粒子群优化算法优化阵列布局，得到无源单元的位置，实现低副瓣。本发明所采用的天线单元结构简单、易于加工装配，在不恶化有源天线单元驻波与辐射效率的前提下，实现了低副瓣宽角宽带扫描与超低带内RCS，且由于有源单元数量的减少也降低了阵列成本。

Description

一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域与雷达隐身技术领域，涉及一种结构简单、具有超低带内后向散射特性和低副瓣宽角宽带扫描能力的稀布相控阵天线。
背景技术
相控阵天线具有高增益、快速波束扫描能力，因此广泛应用于军民用雷达。然而，在某些应用中，为了降低电磁干扰，或提高隐身性能、减小被探测的风险，RCS(雷达散射截面)缩减至关重要。但是，相控阵天线在具备优异辐射特性的同时，也产生强烈的散射峰值，尤其是在带内，高增益往往伴随高散射，而降低散射也意味着辐射损耗，因此如何保证高辐射效率的前提下实现相控阵天线的带内RCS缩减至关重要。
当前主流的相控阵天线带内RCS缩减方法有以下几种：第一，优化天线驻波；如文献“Anultra-wideband tightly coupled dipole array co-designed with lowscattering characteristics”中通过加载宽角匹配层，在优化天线阻抗匹配的同时降低天线模式项散射场。第二，改变天线负载；如文献“RCS synthesis of array antenna withcirculators and phase shifters and measurement method for deterministic RCSreduction”中，采用移相器、环形器串联负载，改变反射波相位，从而优化模式项散射场，降低总散射场。第三，相位对消技术；如文献“Low scattering patch array antenna basedon grooved ground”中，将微带天线装配于不同高度的地面上，产生不同的散射相位，从而在受威胁的方向上产生散射零点，实现对消。
方法一并不能总是保证总散射场的缩减，因为总散射场是天线模式项和结构项散射场的矢量合成，最低驻波并不意味着最低散射；方法二在改变负载的同时往往伴随辐射效率或回波效率的降低，因为负载会吸收能量或恶化驻波；方法三并不会恶化相控阵天线的辐射特性，但文献中共形的方法加工装配难度高，而常用的超材料并不能装载到结构紧凑的相控阵天线中，只能设置于天线上、下层，实现带外RCS缩减。
相控阵天线的稀布技术(Array Thinning Technique)是一种将相控阵天线满阵中部分单元选出作为无源单元，不进行馈电，从而降低天线成本，并通过优化无源单元位置实现低副瓣辐射特性的技术。本发明结合有源对消技术与稀布技术大幅度的缩减相控阵天线RCS，与文献中的几种方法相比，本方法并不会恶化有源单元驻波，增大回波损耗，也不引入额外的负载损耗，天线结构简单、易于加工装配，所实现的RCS缩减量远高于已有方法(6dB以上)，并且得益于稀布技术，降低了天线副瓣以及成本，虽然增益相比于满阵降低了约1dB，但这是所有稀布阵为实现低副瓣所需付出的代价。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出一种结构简单的X波段10×10平面稀布阵。阵元在7.3～10.1GHz(32.2％)带宽、±45°角度范围内扫描，反射系数普遍低于-7.5dB；在100个相控阵单元中选取20个单元作为无源单元，并在适当的位置短接，实现超低后向散射，相比于同尺寸地面缩减量在21dB以上，相比于满阵缩减量在9.1dB以上；同时其副瓣电平比满阵低6dB以上，成本降低约20％。
本发明采用的技术方案为：一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线，该天线由若干单元天线阵列构成，所述单元天线从上到下依次包括：宽角匹配层、辐射贴片层、金属地板、探针；
所述宽角匹配层包括：第一PCB板；
所述辐射贴片层包括：第一辐射贴片、第二PCB板、第二辐射贴片、第三PCB板；所述第一辐射贴片设置于第二PCB板的上表面；所述第二辐射贴片设置于第三PCB板的上表面；第一辐射贴片尺寸小于第二辐射贴片；
所述金属地板内设置有通孔，供探针通过，阵列中所有单元天线的第一PCB板、第二PCB板、第三PCB板、金属地板为一个整体；
所述探针位于第三PCB板和地板中，探针上表面与第二辐射贴片接触；
所述阵列中单元天线包含N个有源单元、M个无源单元；所述有源单元由SMA接头馈电，探针为SMA接头内芯，不与地面接触；所述无源单元中探针与金属地板在优化的位置接触；N、M的数量和无源单元的位置根据单元散射场决定；
进一步的，所述无源单元金属地板下表面设置有“凸”形环状短路帽，短路帽上半部分外径与金属地板上设置探针的通孔直径相等，下半部分用固定到地板上，短路帽凸起中心设置有内径与探针外径相等的通孔；无源单元中探针设置于短路帽中心通孔内，通过短路帽与金属地板电接触。
进一步的，所述短路帽包括底部和凸起部，通过调节不同位置无源单元短路帽凸起部分的高度来调节相控阵天线的后向散射特性。
进一步的，单元天线阵列为10×10，其中N＝80，M＝20；从顶点出发沿对角线向内的第一列1个单元天线，第二列为2个单元天线，第三列为3个单元天线……；从顶点出发沿对角线向内的第二列和第三列为无源单元，其余为有源单元。
本发明采用叠层贴片增大天线带宽；通过相控阵天线稀布技术，优化有源、无源单元的阵列排布，从而降低阵列成本并实现低副瓣宽角宽带扫描；基于对相控阵天线散射机理的研究，采用有源对消技术，估算出优化的无源单元数量以及其对应的短路面位置，从而使有源、无源阵元散射场有益对消，实现超低后向散射。本发明中的稀布阵在不增大天线回波损耗、辐射损耗的前提下，实现了低成本、低副瓣宽角宽带扫描、超低后向散射，其带内单站RCS缩减性能远优于已有文献，且天线结构简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例中的天线单元多层结构示意图。
图2(a)为本发明实施例中的稀布相控阵天线俯视透视及主视透视图；图2(b)为本发明实施例中“凸”形环状短路帽的俯视图及主视图。
图3为本发明实施例中天线单元在不同扫描角下的反射系数。
图4为本发明实施例中阵列所需以及实现的稀疏度与无源单元相位补偿。
图5为本发明实施例与参考满阵、同尺寸金属板的后向散射强度。
图6为本发明实施例与参考满阵在10GHz扫描到不同角度的增益方向图。(a)为E面扫描；(b)为H面扫描。
具体实施方式
实施例
本实施例中天线单元结构见图1，10×10稀布相控阵天线结构见图2。单元尺寸15×15mm2，工作频率7.3～10.1GHz，在带内±45度扫描角范围内反射系数普遍低于-7.5dB，见图3。天线从上到下分三层，依次为：宽角匹配层、辐射贴片层、金属地板；天线总共有三层PCB板，其材质都为Rogers 5880，介电常数2.2，厚度均为1.5mm。
宽角匹配层第一PCB板1。
辐射贴片层包括：第一辐射贴片21、第二PCB板2、第二辐射贴片31、第三PCB板3、探针32；第一辐射贴片21设置于第二PCB板2的上表面，为边长7.9mm的正方形；第二辐射贴片31设置于第三PCB板3的上表面，为边长10.1mm的正方形；探针32穿过第三PCB板。
金属地板4内设置有通孔41，直径2.92mm，供探针42通过。
本实施例中探针贯穿金属地板4的部分为42，直径1.27mm，有两种类型：第一类探针为SMA接头内芯，与金属地板中的过孔共同构成50Ω同轴传输线，作为有源单元馈电之用；第二类探针为短路探针，穿过“凸”形环状短路帽5的中心通孔，与金属地板4短接。
本实施例中“凸”形环状短路帽5的中心通孔直径为1.27mm，上部分环状凸起外直径为2.92mm，下部分通过螺钉固定到地板4上，从而实现无源单元内探针42与地板4的短接，通过改变上部分高度调节短路位置。
基于相控阵天线的散射机理，通过仿真天线单元的散射场，并分解天线模式项、结构项散射场，可以计算阵元在不同负载状态下的散射场，从而估算所需的无源单元占比和短路面位置以实现有源、无源单元散射场在来波方向对消。所需无源单元占比和相位补偿见图4，均随频率变化，最终选取稀疏率为0.2，对应20个无源单元，优化后的短路面离第三PCB板3下表面14.8mm，实现的相位补偿与预期误差小于30度，见图4。
实施例中稀布阵及其所对应的满阵在法向同极化入射时单站RCS见图5，可见在带内(7.3～10.1GHz，32.2％)稀布阵RCS对比于满阵和同尺寸金属板均有大幅度缩减，实际缩减带宽包含部分带外频段，大于40％。理论计算的相比于满阵和金属板的带内平均缩减量分别为9.1dB、21dB，仿真结果更优，分别为13.5dB、25dB。
实施例采用粒子群优化(PSO)算法优化阵列布局，其有源、无源单元的位置见图2，无源单元不进行激励，探针为42B，透视图为黑色实心。仿真的10GHz稀布阵和满阵增益方向图见图6，可见在±45度角度范围内扫描时，稀布阵副瓣电平远低于(约6dB)满阵，增益约降低1dB，这是因为有源单元数量的减少，但并不会影响辐射效率和有源单元回波损耗。
综上所述，本发明结合有源对消技术与稀布技术，提出了一种结构简单的超低带内RCS稀布相控阵天线。该天线并不引入额外的材料损耗，因此不会降低辐射效率，也不会恶化有源单元驻波、增大回波损耗。在已有报道中，大部分相控阵天线的RCS相比于等尺寸金属板缩减量均在15dB以下，本发明稀布阵在此基础上提升了6dB以上，具有超低后向散射特性。更进一步地，优化后的稀布阵具有低副瓣宽角宽带扫描特性，副瓣比满阵低6dB以上。最后，由于有源单元数量减少20％，成本也得以降低。

Claims (4)

1.一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线，该天线由若干单元天线阵列构成，所述单元天线从上到下依次包括：宽角匹配层、辐射贴片层、金属地板、探针；
所述宽角匹配层包括：第一PCB板；
所述辐射贴片层包括：第一辐射贴片、第二PCB板、第二辐射贴片、第三PCB板；所述第一辐射贴片设置于第二PCB板的上表面；所述第二辐射贴片设置于第三PCB板的上表面；第一辐射贴片尺寸小于第二辐射贴片；
所述金属地板内设置有通孔，供探针通过，阵列中所有单元天线的第一PCB板、第二PCB板、第三PCB板、金属地板为一个整体；
所述探针位于第三PCB板和地板中，探针上表面与第二辐射贴片接触；
所述阵列中单元天线包含N个有源单元、M个无源单元；所述有源单元由SMA接头馈电，探针为SMA接头内芯，不与地面接触；所述无源单元中探针与金属地板在优化的位置接触；N、M的数量和无源单元的位置根据单元散射场决定；
2.如权利要求1所述的一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线，其特征在于，所述无源单元金属地板下表面设置有“凸”形环状短路帽，短路帽上半部分外径与金属地板上设置探针的通孔直径相等，下半部分用固定到地板上，短路帽凸起中心设置有内径与探针外径相等的通孔；无源单元中探针设置于短路帽中心通孔内，通过短路帽与金属地板电接触。
3.如权利要求1所述的一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线，其特征在于，所述短路帽包括底部和凸起部，通过调节不同位置无源单元短路帽凸起部分的高度来调节相控阵天线的后向散射特性。
4.如权利要求1所述的一种具有超低后向散射特性的稀布相控阵天线，其特征在于，单元天线阵列为10×10，其中N＝80，M＝20；从顶点出发沿对角线向内的第一列1个单元天线，第二列为2个单元天线，第三列为3个单元天线……；从顶点出发沿对角线向内的第二列和第三列为无源单元，其余为有源单元。
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