CN114204271B - 基于交指排列超表面的宽带低rcs阵列天线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，包括：步骤1，设计各向异性超表面单元(10)，使其在阵列天线所需的低RCS频段内，对x极化和y极化入射波具有180°±30°的反射相位差；步骤2，将步骤1中得到的单元(10)绕其中心旋转90°，得到单元(20)，将单元(10)与单元(20)按照交指状排列布阵，形成宽带低RCS超表面；步骤3，在步骤2中得到的宽带低RCS超表面中引入探针馈电或耦合馈电等本领域熟知的天线馈电技术，形成宽带低RCS阵列天线。本发明提出的方法能够快速、高效地设计宽带低RCS阵列天线，提出的宽带低RCS阵列天线成本低、易实现，应用前景广阔。

Description

基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法
技术领域
本发明涉及天线设计技术，具体涉及利用超表面快速设计宽带低RCS阵列天线的方法，更具体地涉及一种基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线。
背景技术
阵列天线具有增益高、波束指向灵活等优点，在无线通信系统中具有广泛的应用。然而天线特有的向外辐射电磁波的特性，使其成为平台上雷达散射截面(RCS)的主要贡献者，因此低RCS阵列天线设计对于隐身平台至关重要。近年来，电磁超表面的快速发展为天线隐身难题提供了新的解决思路。超表面是一种人工构造的二维周期金属结构，通过单元结构设计和排布方式优化，超表面能够实现对电磁波幅度、相位以及极化方式的灵活调控，因此，在阵列天线中集成超表面结构成为减缩阵列天线RCS的有效手段。然而现有的公开报道都是先设计天线结构，再在天线周围加载超表面，即先实现辐射性能，而后再优化散射性能，这给天线的设计过程增加了复杂度，同时超表面的加载往往会造成辐射性能的改变，无法同时兼顾设计辐射和散射性能，导致设计过程费时费力，且效率较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，包括以下步骤：
步骤1，设计各向异性超表面单元10，以下简称为第一单元10，使其在阵列天线所需的低RCS频段内，对x极化和y极化入射波具有180°±30°的反射相位差；
第一单元10包括第一金属贴片1、第二金属贴片2、介质基板3、金属地板4；以第一单元10上表面的中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向，垂直于纸面向外为z轴正方向；第一金属贴片1和第二金属贴片2均为矩形薄片，其结构尺寸完全相同，二者关于y轴对称，两个金属贴片的中心均位于x轴上；第一金属贴片1和第二金属贴片2印制在方形介质基板3上，介质基板3上表面的中心与坐标原点重合；介质基板3的下方贴附金属地板4，金属地板4与介质基板3尺寸相同，二者在水平面上的投影完全重合；
步骤2，将步骤1中得到的第一单元10绕其中心顺时针或逆时针旋转90°，得到第二单元20，将第一单元10与第二单元20按照交指状排列布阵，形成宽带低RCS超表面；
宽带低RCS超表面，以下简称为“超表面”，由Nx×Ny个“第一区域100”和“第二区域200”紧密排列构成，其中Nx为行数，Ny为列数，Nx、Ny均为大于等于1的自然数；第一区域100呈轴对称的倒凸形，第二区域200呈轴对称的凹形，第一区域100和第二区域200的对称轴均平行于y轴，第一区域100和第二区域200相结合构成交指结构，该交指结构是将第一区域100的凸端插入第二区域200的凹端后，恰好能构成一个矩形区域，中间不留空隙；其中，第一区域100和第二区域200各由M个相同单元紧密排列构成，M为大于等于8的自然数；
步骤3，在步骤2中得到的宽带低RCS超表面中引入馈电装置，形成宽带低RCS阵列天线；
宽带低RCS阵列天线，以下简称为“阵列天线”，是在步骤2中所得超表面基础上引入馈电装置，并通过与馈电装置电连接的金属传输线6激励起周围超表面单元，进而形成辐射；具体为：金属传输线6位于每个第一区域100内，沿第一区域100的第一对称轴布置，金属传输线6的沿y方向的中轴线与第一区域100的第一对称轴重合；金属传输线6沿y方向位于第一区域100对称轴偏下方位置，馈电装置垂直于介质基板3下表面穿透介质基板3，且与xoy面上的金属传输线6相连，馈电装置靠近金属传输线6的下边缘但保持一定间距。
在本发明的一个实施例中，第一金属贴片1和第二金属贴片2为矩形贴片，贴片长度l在2.7～9.7mm范围内，宽度w在0.5～4.8mm范围内，两个贴片之间垂直间距s在0.1～5.0mm范围内；介质基板3的边长在3.0～10.0mm范围内。
在本发明的一个具体实施例中，金属贴片长度l为5.65mm，宽度w为2.0mm，两个贴片之间垂直间距s为1.0mm；介质基板3的边长为5.95mm，厚度在1.0～5.0mm范围内，其介电常数在2.0～4.0范围内。
在本发明的另一个实施例中，M等于8，Nx、Ny均等于2；第一区域100中均为第一单元10或第二单元20，第二区域200中均为另一种单元；一个第一区域100和一个第二区域200相结合构成一组交指结构，沿x方向、y方向布置多组交指结构，形成内部紧密连接没有空隙存在的、整体为矩形的宽带低RCS超表面。
在本发明的另一个具体实施例中，第一区域100分三行，第一行包括均匀且紧密排列成一行的4个第一单元10，第二行包括均匀排列成一行的2个第一单元10，第三行包括均匀排列成一行的2个第一单元10，三行沿y轴方向紧密排布，且关于平行于y轴的第一对称轴对称；第二区域200分四列，第一列包括均匀排列成一列的3个第二单元20，第二列包括1个第二单元20，第三列包括1个第二单元20，第四列包括均匀排列成一列的3个第二单元20，四列沿x轴方向紧密排布，且关于平行于y轴的第一对称轴对称。
在本发明的又一个具体实施例中，沿x方向布置两组交指结构，形成宽带低RCS超表面。
在本发明的还一个实施例中，金属传输线6的长度lf在3.0～15.0mm范围内，宽度wf在0.2～4.0mm范围内，金属传输线6的下边缘与第一区域100的下边缘距离在0.5～6.0mm范围内，馈电装置在xy平面上的中心与金属传输线6的下边缘距离在0.2～2.5mm范围内。
在本发明的还一个具体实施例中，金属传输线6的长度lf为6.0mm，宽度wf为0.7mm，金属传输线6的下边缘与第一区域100的下边缘距离3.8mm，馈电装置在xy平面上的中心与金属传输线6的下边缘距离0.8mm。
在本发明的一个更具体实施例中，馈电装置是馈电金属探针5。
本发明的优点在于：
1.提供一种全新的宽带低RCS阵列天线设计方法，即基于交指排列宽带低RCS超表面设计阵列天线，在技术相对成熟的宽带低RCS超表面的基础上，结合适当的馈电技术，快速高效设计宽带低RCS阵列天线；
2.与现有技术相比，本发明提供一种通用的宽带低RCS阵列天线设计流程，按照该设计流程，可以大大减少重复的全波仿真工作，实现宽带低RCS阵列天线设计，提高了设计效率，缩短了设计周期；
3.本发明提出的宽带低RCS阵列天线，成本低、易实现，应用前景广阔。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点，结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明设计方法的流程图；
图2为本发明各向异性超表面单元1的结构示意图，图2(a)为正视图，图2(b)为仰视图；
图3为图2所示单元1组成无限大阵列后，在x极化和y极化平面波垂直照射下的反射相位差曲线；
图4为本发明宽带低RCS超表面结构示意图；
图5为图4所示宽带低RCS超表面与同尺寸金属板在x极化和y极化平面波垂直照射下的单站RCS对比曲线图；
图6为本发明宽带低RCS阵列天线结构示意图，图6(a)为正视图，图6(b)为仰视图；
图7为图6所示宽带低RCS阵列天线与参考阵列天线的S11对比曲线图；
图8为图6所示宽带低RCS阵列天线与参考阵列天线的增益对比曲线图；
图9为图6所示宽带低RCS阵列天线与参考阵列天线在x极化和y极化平面波垂直照射下的单站RCS对比曲线图。
附图标记：
1第一金属贴片；2第二金属贴片；3介质基板；4金属地板；5馈电金属探针；6金属传输线。
具体实施方式
通过详细描述一个实施例具体阐述本发明提出的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，实施例的示例在附图中示出。
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述本发明。
如图1所示，基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，包括以下步骤：
步骤1，设计各向异性超表面单元10，以下简称为单元10，使其在阵列天线所需的低RCS频段内，对x极化和y极化入射波具有180°±30°的反射相位差；
最终确定的单元10如图2所示，图2(a)为正视图，图2(b)为仰视图。单元10包括第一金属贴片1、第二金属贴片2、介质基板3、金属地板4。如图2(a)所示，以单元10上表面的中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向，垂直于纸面向外为z轴正方向。第一金属贴片1和第二金属贴片2均为矩形薄片，其结构尺寸完全相同，二者关于y轴对称，两个金属贴片的中心均位于x轴上。第一金属贴片1和第二金属贴片2印制在方形介质基板3上，介质基板3上表面的中心与坐标原点重合。介质基板3的下方贴附金属地板4，金属地板4与介质基板3尺寸相同，二者在水平面上的投影完全重合。
在本实施例中，第一金属贴片1和第二金属贴片2为矩形贴片，贴片长度(y轴方向)l在2.7～9.7mm范围内，优选值为5.65mm，宽度(x轴方向)w在0.5～4.8mm范围内，优选值为2.0mm，两个贴片之间垂直间距s在0.1～5.0mm范围内，优选值为1.0mm。介质基板3的边长在3.0～10.0mm范围内，优选值为5.95mm，厚度在1.0～5.0mm范围内，优选值为2.5mm，其介电常数在2.0～4.0范围内，优选值为2.65。
图3为取优选值的超表面单元10组成无限大阵列后，在x极化和y极化平面波垂直照射下的反射相位差曲线，可以看出，在7.3～13.5GHz的工作频带内，反射相位差均处于180°±30°的范围内。
步骤2，将步骤1中得到的单元10绕其中心顺时针或逆时针旋转90°，得到单元20，将单元10与单元20按照特定规律交指状排列布阵，形成宽带低RCS超表面，如图4所示。
图4为本发明实施例中提出的宽带低RCS超表面(以下简称为“本发明超表面”)结构示意图，本发明超表面由Nx×Ny个“区域100”和“区域200”紧密排列构成，其中Nx为行数，Ny为列数，Nx、Ny均为大于等于1的自然数。区域100呈轴对称的倒凸形，区域200呈轴对称的凹形，区域100和区域200的对称轴均平行于y轴，区域100和区域200相结合构成交指结构，该交指结构是将区域100的凸端插入区域200的凹端后，恰好能构成一个矩形区域，中间不留空隙，换句话说，区域100的凸端形状与区域200的凹端形状相适应。其中，区域100和区域200各由M个相同单元紧密排列构成，M为大于等于8的自然数。如图4所示，在本发明的一个具体实施例中，M等于8，Nx、Ny均等于2，即是，沿x方向有2个区域，所以Nx＝2，沿y方向有2个区域，所以Ny＝2。区域100中均为单元10，区域200中均为单元20。也可以区域100中均为单元20，区域200中均为单元10。
在如图4所示的本发明的一个实施例中，区域100分三行，第一行包括均匀且紧密排列成一行的4个单元10，第二行包括均匀排列成一行的2个单元10，第三行包括均匀排列成一行的2个单元10，三行沿y轴方向紧密排布，且关于平行于y轴的第一对称轴对称。区域200分四列，第一列包括均匀排列成一列的3个单元20，第二列包括1个单元20，第三列包括1个单元20，第四列包括均匀排列成一列的3个单元20，四列沿x轴方向紧密排布，且关于平行于y轴的第一对称轴对称。一个区域100和一个区域200相结合构成一组交指结构，沿x方向布置两组交指结构，即形成如图4所示的宽带低RCS超表面。图4所示并不是唯一的布阵形式，只要区域100和区域200内的单元数量相等，且区域100和区域200能够相结合、构成内部紧密连接没有空隙存在的整体为矩形的交指结构即可。
图5为图4所示宽带低RCS超表面与同尺寸金属板在x极化和y极化平面波垂直照射下的单站RCS对比曲线图，可以看出，在6～18GHz的宽带范围内，本发明超表面在两种极化下均有RCS减缩效果。
步骤3，在步骤2中得到的宽带低RCS超表面中引入探针馈电或耦合馈电等本领域熟知的天线馈电技术，形成宽带低RCS阵列天线；
图6为本发明实施例中提出的宽带低RCS阵列天线(以下简称为“本发明阵列天线”)结构示意图，图6(a)为正视图，图6(b)为仰视图。本发明阵列天线是在图4所示的本发明超表面基础上引入馈电金属探针5，并通过金属传输线6激励起周围超表面单元，进而形成辐射。具体为：金属传输线6位于每个区域100内，沿区域100的第一对称轴布置，金属传输线6的沿y方向的中轴线与区域100的第一对称轴重合；金属传输线6沿y方向位于区域100对称轴偏下方位置，同轴电缆的馈电金属探针5垂直于介质基板下表面穿透介质基板3，且与xoy面上的金属传输线6相连，探针的中心靠近金属传输线6的下边缘但保持一定间距。金属传输线6的长度lf在3.0～15.0mm范围内，优选值为6.0mm，宽度wf在0.2～4.0mm范围内，优选值为0.7mm，金属传输线6的下边缘与区域100的下边缘距离在0.5～6.0mm范围内，优选值为3.8mm，探针中心与金属传输线6的下边缘距离在0.2～2.5mm范围内，优选值为0.8mm。由此实现一个1×2宽带低RCS阵列天线。
图7和图8分别为本发明阵列天线的S11曲线和增益曲线，为了便于比较，同时仿真了1×2参考微带阵列天线，其中参考微带阵列天线与本发明阵列天线的基板尺寸相同，天线间距相同。可以看出，与参考微带阵列天线相比，本发明阵列天线具有更宽的阻抗带宽和更高的增益。图9为本发明阵列天线与参考阵列天线在x极化和y极化平面波垂直照射下的单站RCS对比曲线图，可以看出，在6～18GHz的宽带范围内，本发明阵列天线在两种极化下均有明显的RCS减缩效果。

Claims (9)

1.基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设计各向异性超表面单元，以下称为第一单元(10)，使其在阵列天线所需的低RCS频段内，对x极化和y极化入射波具有180°±30°的反射相位差；
第一单元(10)包括第一金属贴片(1)、第二金属贴片(2)、介质基板(3)、金属地板(4)；以第一单元(10)上表面的中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向，垂直于纸面向外为z轴正方向；第一金属贴片(1)和第二金属贴片(2)均为矩形薄片，其结构尺寸完全相同，二者关于y轴对称，两个金属贴片的中心均位于x轴上；第一金属贴片(1)和第二金属贴片(2)印制在方形介质基板(3)上，介质基板(3)上表面的中心与坐标原点重合；介质基板(3)的下方贴附金属地板(4)，金属地板(4)与介质基板(3)尺寸相同，二者在水平面上的投影完全重合；
步骤2，将步骤1中得到的第一单元(10)绕其中心顺时针或逆时针旋转90°，得到第二单元(20)，将第一单元(10)与第二单元(20)按照交指状排列布阵，形成宽带低RCS超表面；
宽带低RCS超表面，以下简称为“超表面”，由Nx×Ny个“第一区域(100)”和“第二区域(200)”紧密排列构成，其中Nx为行数，Ny为列数，Nx、Ny均为大于等于1的自然数；第一区域(100)呈轴对称的倒凸形，第二区域(200)呈轴对称的凹形，第一区域(100)和第二区域(200)的对称轴均平行于y轴，第一区域(100)和第二区域(200)相结合构成交指结构，该交指结构是将第一区域(100)的凸端插入第二区域(200)的凹端后，恰好能构成一个矩形区域，中间不留空隙；其中，第一区域(100)和第二区域(200)分别使用M个相同的第一单元和M个相同的第二单元紧密排列构成，M为大于等于8的自然数；
步骤3，在步骤2中得到的宽带低RCS超表面中引入馈电装置，形成宽带低RCS阵列天线；
宽带低RCS阵列天线，以下简称为“阵列天线”，是在步骤2中所得超表面基础上引入馈电装置，并通过与馈电装置电连接的金属传输线(6)激励起周围超表面单元，进而形成辐射；具体为：金属传输线(6)位于每个第一区域(100)内，沿第一区域(100)的第一对称轴布置，金属传输线(6)的沿y方向的中轴线与第一区域(100)的第一对称轴重合；金属传输线(6)沿y方向位于第一区域(100)对称轴偏下方位置，馈电装置垂直于介质基板(3)下表面穿透介质基板(3)，且与xoy面上的金属传输线(6)相连，馈电装置靠近金属传输线(6)的下边缘但保持一定间距。
2.如权利要求1所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，第一金属贴片(1)和第二金属贴片(2)为矩形贴片，贴片长度l在2.7～9.7mm范围内，宽度w在0.5～4.8mm范围内，两个贴片之间垂直间距s在0.1～5.0mm范围内；介质基板(3)的边长在3.0～10.0mm范围内。
3.如权利要求2所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，金属贴片长度l为5.65mm，宽度w为2.0mm，两个贴片之间垂直间距s为1.0mm；介质基板(3)的边长为5.95mm，厚度在1.0～5.0mm范围内，其介电常数在2.0～4.0范围内。
4.如权利要求1所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，M等于8，Nx、Ny均等于2；第一区域(100)中均为第一单元(10)或第二单元(20)，第二区域(200)中均为另一种单元；一个第一区域(100)和一个第二区域(200)相结合构成一组交指结构，沿x方向、y方向布置多组交指结构，形成内部紧密连接没有空隙存在的、整体为矩形的宽带低RCS超表面。
5.如权利要求4所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，第一区域(100)分三行，第一行包括均匀且紧密排列成一行的4个第一单元(10)，第二行包括均匀排列成一行的2个第一单元(10)，第三行包括均匀排列成一行的2个第一单元(10)，三行沿y轴方向紧密排布，且关于平行于y轴的第一对称轴对称；第二区域(200)分四列，第一列包括均匀排列成一列的3个第二单元(20)，第二列包括1个第二单元(20)，第三列包括1个第二单元(20)，第四列包括均匀排列成一列的3个第二单元(20)，四列沿x轴方向紧密排布，且关于平行于y轴的第一对称轴对称。
6.如权利要求5所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，沿x方向布置两组交指结构，形成宽带低RCS超表面。
7.如权利要求1所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，金属传输线(6)的长度lf在3.0～15.0mm范围内，宽度wf在0.2～4.0mm范围内，金属传输线(6)的下边缘与第一区域(100)的下边缘距离在0.5～6.0mm范围内，馈电装置在xy平面上的中心与金属传输线(6)的下边缘距离在0.2～2.5mm范围内。
8.如权利要求1所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，金属传输线(6)的长度lf为6.0mm，宽度wf为0.7mm，金属传输线(6)的下边缘与第一区域(100)的下边缘距离3.8mm，馈电装置在xy平面上的中心与金属传输线(6)的下边缘距离0.8mm。
9.如权利要求7或8所述的基于交指排列超表面的宽带低RCS阵列天线设计方法，其特征在于，馈电装置是馈电金属探针(5)。
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