CN115603064B - 场致增益变化的反射面天线及防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的场致增益变化的反射面天线及防护方法，包括反射面和设置在反射面上的可重构人工磁导体单元；可重构人工磁导体单元包括介质基板、金属地板以及贴片单元；贴片单元包括圆形贴片以及环绕在圆形贴片周围的圆环贴片，圆形贴片与圆环贴片之间设有二极管。电磁波的入射时，贴片单元产生感应电压，当感应电压小于二极管阈值时，反射面的相位补偿关系不改变，反射面天线正常聚焦工作；当感应电压超过二极管阈值时，二极管导通，反射面的相位补偿关系改变，反射面天线无法聚焦，从而降低天线增益，减小强电磁信号通过前门进入系统的能量，实现在强电磁环境下对后端敏感电子设备的防护。

Description

场致增益变化的反射面天线及防护方法

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种场致增益变化的反射面天线及防护方法。

背景技术

反射面天线一般由反射面和馈源天线组成，馈源天线一般采用喇叭天线、振子天线等弱方向性的天线作为激励，从而实现较好的球面波特性。当馈源发射的电磁波入射至反射面时，由于电磁波到达不同位置的路程不同，会产生不同的相位差，通过合理设计反射面，使其在不同位置提供相应的相位补偿，即可将馈源天线发射的球面波在反射面反射后转换为平面波，从而实现能量的聚焦，即高指向性、高增益的辐射。主要通过两种方式实现球面波到平面波的转换，一是以抛物面反射面为代表，通过曲面的反射面对电磁波的球面波前进行空间相位补偿；二是以平面反射阵为代表，基于广义斯涅尔反射定律，设计反射阵阵元的梯度相位分布对电磁波进行梯度反射相位补偿。其中前者是较为成熟，应用较为广泛的反射面天线形式。

因此随着无线通讯技术的不断发展，反射面天线因其大口径、窄波束、高增益的特点被广泛应用于卫星通信、雷达探测、目标跟踪等领域。然而，随着电磁环境日益复杂，电子信息设备均面临高功率微波等强电磁武器的威胁，军用设备对电磁防护的要求日益提高。从不同的防护节点来看，目前反射抛物面天线的防护方法一般包括链路防护、馈源防护与整机防护。

链路防护主要指在微波电路传输线中加装限幅器等微波器件，在输入信号超过设定阈值后，将输出信号幅度限制在安全范围内，对于反射面天线这类高增益天线而言，输入信号幅度将被放大百倍乃至千倍，远远超出目前限幅器技术的耐受能力；

馈源防护是在馈源天线前端加装具有能量选择特性的电磁防护罩，在传输低强度电磁波时呈现透波特性，传输高强度电磁波时呈现反射特性，而且具有较高的耐受能力，但是由于防护罩位于馈源天线近场，因此将引起天线远场方向图的畸变，带来增益、波束宽度等参数的变化，以致干扰反射面天线的正常工作；

整机防护是在反射面天线外围加装电磁防护罩，对进入反射面天线系统的信号进行能量选择，在强电磁环境下整体降低反射面天线所处电磁环境强度，提高了强电磁耐受能力并避免了远场方向图扰动，但是由于反射面天线较大的口径以及需要机械转动扫描的特征，整机防护的电磁防护罩需要进行球面共形，对于目前的电磁防护罩加工工艺而言，会极大增加天线罩设计加工的成本。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在正常工作情况下高增益，在强电磁攻击情况下对后端敏感电子设备进行强电磁防护的自适应场致增益变化的反射面天线及防护方法。

为实现上述目的，本发明提供一种场致增益变化的反射面天线，包括反射面，还包括设置在所述反射面上的可重构人工磁导体单元；

所述可重构人工磁导体单元包括介质基板、印刷在所述介质基板底部的金属地板以及印刷在所述介质基板顶部的贴片单元；

所述贴片单元包括圆形贴片以及环绕在所述的圆形贴片周围的圆环贴片，所述圆形贴片与所述圆环贴片之间设有二极管。

在其中一个实施例中，还包括馈源，所述反射面为抛物面形状，所述馈源为矩形喇叭天线，所述馈源放置在所述反射面中心轴线方向，其相位中心位于反射面焦点位置。

在其中一个实施例中，所述可重构人工磁导体单元与所述馈源极化状态一致。

在其中一个实施例中，所述圆形贴片与所述圆环贴片之间设有一个以上二极管。

在其中一个实施例中，所述圆形贴片与所述圆环贴片之间设有两个二极管。

在其中一个实施例中，两个二极管竖向对称设置，两个二极管正负极性相反，呈反向并联状态。

在其中一个实施例中，磁导体集合总面积占所述反射面的45%~55%；其中，所述磁导体集合包括若干可重构人工磁导体单元。

在其中一个实施例中，所述可重构人工磁导体单元在所述反射面上的阵列排布方式为扇形阵列排布或环状阵列排布或环状间隔阵列排布。

一种场致增益变化的反射面天线的防护方法，包括：

对反射面进行像素化仿真，得到像素单元；所述像素单元与可重构人工磁导体单元大小相同；

根据弱电磁场下最大化聚焦、强电磁场下最大化散焦原则，通过所述像素单元在反射面上对所述可重构人工磁导体单元进行阵列排布；

电磁波入射时，贴片单元产生感应电压，当所述感应电压超过二极管阈值时，所述二极管导通，改变可重构人工磁导体单元相位使其与所述反射面相位不一致，使反射面天线无法聚焦，从而降低增益实现对所述反射面天线的后端防护。

相较于现有技术，本发明提供的场致增益变化的反射面天线及防护方法，包括反射面和设置在反射面上的可重构人工磁导体单元；可重构人工磁导体单元包括介质基板、金属地板以及贴片单元；贴片单元包括圆形贴片以及环绕在圆形贴片周围的圆环贴片，圆形贴片与圆环贴片之间设有二极管。本发明设计的可重构人工磁导体单元，具有完整的谐振回路，可根据电磁波强度自适应的改变反射相位，电磁波的入射时，贴片单元产生感应电压，当感应电压小于二极管阈值时，反射面的相位补偿关系不改变，反射面天线正常聚焦工作；当感应电压超过二极管阈值时，二极管导通，反射面的相位补偿关系改变，反射面天线无法聚焦，从而降低天线增益，减小强电磁信号通过前门进入系统的能量，实现在强电磁环境下对后端敏感电子设备的防护。

附图说明

图1为可重构人工磁导体单元平面结构图；

图2为抛物面天线像素化仿真图；

图3为可重构人工磁导体单元在反射面中的阵列排布图；其中，图3（a）为扇形阵列排布图，图3（b）为环状阵列排布图，图3（c）为环状间隔阵列排布图；

图4为场致增益变化的反射面天线的防护方法流程图；

图5为强电磁环境下反射面天线加装可重构人工磁导体后对比图；

图6为非强电磁环境下反射面天线加装可重构人工磁导体后增益变化图；

图7为反射面天线在不同场强下的增益对比图；

附图标号：

反射面11，像素单元111；

可重构人工磁导体单元21；介质基板211，圆形贴片212，圆环贴片213，二极管214。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。另外，本发明中的词语“场致”表示为根据强度改变自身特性。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图1-3所示，为本发明提供的场致增益变化的反射面天线，包括反射面11和设置在反射面上的可重构人工磁导体单元21；其中，反射面11为抛物面形状，可重构人工磁导体单元21包括介质基板211、印刷在介质基板底部的金属地板以及印刷在介质基板顶部的贴片单元；贴片单元包括圆形贴片212以及环绕在圆形贴片周围的圆环贴片213，圆形贴片与圆环贴片之间设有二极管214。

具体地，本实施例的反射面直径为400mm，焦距150mm，工作频段为X波段，中心频率为9.3GHz。介质基板211为正方形，圆形贴片212以及圆环贴片213的中心点与介质基板211的中心点重合，由于天线有多种放置方式，根据天线极化类型不同在圆形贴片212与圆环贴片213之间设置二极管214的位置，当设置两个以上二极管214时，圆形贴片212与圆环贴片213之间的二极管214以并联或者串联的方式进行连接；其中二极管214并联方式可以增加单元的峰值耐受功率，串联方式可以降低单元的损耗，根据应用场景以及二极管214型号进行灵活设计。

优选地，本实施例针对垂直极化，如图1所示，考虑电磁波在正周期和负周期都需要二极管可以感应，在圆形贴片212与圆环贴片213之间设置两个反向并联的二极管214；同时，由于极化是垂直方向，两个二极管214竖向对称设置，正负极性相反，呈反向并联状态，即位于圆形贴片212同一直径的竖向两端。

值得说明的是，圆形贴片212的面积、圆形贴片212与圆环贴片213的间距、介质基板211的厚度都会对可重构人工磁导体单元的反射相位和物理特性产生影响。因此，为了使可重构人工磁导体单元对反射相位影响最小，优选地，介质基板211材料为FR-4，大小10mm的正方形，介电常数为4.4，厚度为1.2mm。圆形贴片212的直径D1为4.6mm，圆环贴片213的内直径D2为5.8mm，内直径D3为7.6mm；二极管214型号为NSR201MX，长度为0.6mm，由于二极管214位于圆形贴片212与圆环贴片213之间，所以圆形贴片212与圆环贴片213之间的距离为0.6mm，二极管214长度应大于0.6mm，此处选择的二极管型号为NSR201MX，长度为1.2mm。

值得说明的是，本发明采用圆形贴片212，并在圆形贴片212外径一定距离设置一个圆环贴片213，可以使可重构人工磁导体单元21在加设二极管214后具有完整的LC回路（谐振回路）。二极管214具有导通和截止两种状态，在电磁防护中，二极管214的导通和截止状态受到入射电磁波信号功率大小的影响。通过设置可重构人工磁导体单元21的阈值，在谐振频率处，当有入射电磁波时，会在金属贴片的表面生成感应电压，当入射电磁波的强度低于阈值时，感应电压不足以驱动二极管214时，二极管214截止，入射波与反射波的相位差为180°，可重构人工磁导体单元21反射相位与反射面一致，反射面的相位补偿关系不改变，反射面天线可以正常聚焦工作，具有高增益、低副瓣效果；当入射电磁波的强度高于阈值时，感应电压的大小超过了二极管214的阈值，二极管214导通，入射波与反射波的相位差为0°，可重构人工磁导体单元21与反射面11相位不一致，反射面11的相位补偿关系改变，反射面天线无法聚焦，从而降低增益实现对反射面天线的后端防护。值得注意的是，由于在反射面天线正常工作时，很难精确到180°和0°，因此，反射波相位与入射波相位差在180°

10°之间时为反相反射，反射波相位与入射波相位在0°

30°之间为同相反射。

在另一个实施例中，磁导体集合总面积占反射面的45%~55%；其中，磁导体集合包括若干可重构人工磁导体单元21。优选地，当磁导体集合总面积占反射面的50%时，反射面天线的主瓣的平均增益达到最小。

在另一个实施例中，可重构人工磁导体单元21在反射面上的阵列排布方式为扇形阵列排布或环状阵列排布或环状间隔阵列排布。

具体地，如图2所示，先对抛物面天线进行像素化仿真，得到抛物面天线的仿真图。为了便于对可重构人工磁导体单元21进行阵列排布，像素单元111形状及大小与可重构人工磁导体单元21相同，可重构人工磁导体单元21可通过导电胶水粘接、焊接、金属螺钉连结等方式固定在反射面11上，确保可重构人工磁导体单元地板与反射面电连接，从而保证参考相位的一致性。本实施例以像素单元111为10mm大小的正方形，磁导体集合总面积占比为50%为例进行说明。

如图3（a）所示，黑色像素单元部分所示为磁导体集合，浅灰色像素单元部分所示为反射面，磁导体集合呈扇形阵列排布图，该阵列排布方式中包括若干个磁导体集合，磁导体集合呈扇形间隔分布在反射面上，扇形的顶点位于反射面中心，扇形弧段部分与反射面周线重合；磁导体集合由若干个可重构人工磁导体单元组成。值得说明的是，扇形数量可以为4、8、16，同样间隔分布在反射面上，优选地，扇形数量为4时达到最优防护效果。

如图3（b）所示，黑色像素单元部分所示为磁导体集合，浅灰色像素单元部分所示为反射面，磁导体集合为环状阵列排布图，该阵列排布方式中包括若干磁导体集合，反射面中心区域不设磁导体集合，各磁导体集合同心、逐层、间隔套设在反射面中心区域；反射面中心区域为类圆形，各磁导体集合为由若干可重构人工磁导体单元组成的类圆环结构，该类圆环结构中心点与反射面中心点重合。值得说明的是，磁导体集合数量可以为1-5中任意值，当磁导体集合数量为2个以上时，磁导体集合同心、逐层、间隔套设。优选地，类圆环结构为1时达到最优防护效果。

如图3（c）所示，为环状间隔阵列排布图，图中黑色像素单元部分所示为磁导体集合，浅灰色像素单元部分所示为反射面，包括第一磁导体集合和若干第二磁导体集合，第一磁导体集合设在反射面中心区域，各第二磁导体集合同心、逐层、间隔套设在第一磁导体集合周围；第一磁导体集合为由若干可重构人工磁导体单元组成类圆形结构；第二磁导体集合为由若干磁导体块间隔设置组成类圆环结构，若干磁导体块由若干可重构人工磁导体单元组成类矩形结构。优选地，第二磁导体集合的数量为两个时，可达到最优的防护效果。

在另一个实施例中，场致增益变化的反射面天线还包括馈源，馈源为矩形喇叭天线，馈源放置在反射面中心轴线方向，其相位中心位于反射面焦点位置。

在另一个实施例中，可重构人工磁导体单元与馈源极化状态一致。

实施例2

基于实施例1中的场致增益变化的反射面天线，本实施例公开了一种场致增益变化的反射面天线的防护方法，根据实施例1中的场致增益变化的反射面天线实现，该方法包括：

对反射面进行像素化仿真，得到像素单元；像素单元与可重构人工磁导体单元大小相同。

根据弱电磁场下最大化聚焦、强电磁场下最大化散焦原则，通过像素单元在反射面上对可重构人工磁导体单元进行阵列排布。

电磁波入射时，贴片单元产生感应电压，当感应电压超过二极管阈值时，二极管导通，改变可重构人工磁导体单元相位使其与反射面相位不一致，使反射面天线无法聚焦，从而降低增益实现对反射面天线的后端防护。

应该理解的是，虽然图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图4中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

如图5-7所示，为本发明提供的场致增益变化的反射面天线及防护方法与传统反射面天线的增益变化图，对可重构人工磁导体单元工作频率为X波段，谐振频率为9.3GHz的情况下，对比在强电磁环境和非强电磁环境下的调控效果。如图5所示，主波束内可以实现10dB以上的防护。在非强电磁环境下，对比加装可重构人工磁导体前后的反射面天线增益，如图6所示，增益未发生明显变化。在强电磁环境下，随着场强的变化，如图7所示，反射面的增益可以实现非线性变化。

本发明实现了反射面工作在9.3GHz的具有场致增益自适应调控特性的反射面天线。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，采用场致增益变化的反射面天线，所述场致增益变化的反射面天线包括反射面，还包括设置在所述反射面上的可重构人工磁导体单元；

所述可重构人工磁导体单元包括介质基板、印刷在所述介质基板底部的金属地板以及印刷在所述介质基板顶部的贴片单元；

所述贴片单元包括圆形贴片以及环绕在所述的圆形贴片周围的圆环贴片，所述圆形贴片与所述圆环贴片之间设有二极管；

对反射面进行像素化仿真，得到像素单元；所述像素单元与可重构人工磁导体单元大小相同；

根据弱电磁场下最大化聚焦、强电磁场下最大化散焦原则，通过所述像素单元在反射面上对所述可重构人工磁导体单元进行阵列排布；

电磁波入射时，贴片单元产生感应电压，当所述感应电压超过二极管阈值时，所述二极管导通，改变可重构人工磁导体单元相位使其与所述反射面相位不一致，使反射面天线无法聚焦，从而降低增益实现对所述反射面天线的后端防护。

2.据权利要求1所述的场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，还包括馈源，所述反射面为抛物面形状，所述馈源为矩形喇叭天线，所述馈源放置在所述反射面中心轴线方向，其相位中心位于反射面焦点位置。

3.根据权利要求2所述的场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，所述可重构人工磁导体单元与所述馈源极化状态一致。

4.据权利要求1所述的场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，所述圆形贴片与所述圆环贴片之间设有一个以上二极管。

5.据权利要求1-4任一项所述的场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，所述圆形贴片与所述圆环贴片之间设有两个二极管。

6.据权利要求5所述的场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，两个二极管竖向对称设置，两个二极管正负极性相反，呈反向并联状态。

7.根据权利要求1所述的场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，磁导体集合总面积占所述反射面的45%~55%；其中，所述磁导体集合包括若干可重构人工磁导体单元。

8.根据权利要求1或7所述的场致增益变化的反射面天线防护方法，其特征在于，所述可重构人工磁导体单元在所述反射面上的阵列排布方式为扇形阵列排布或环状阵列排布或环状间隔阵列排布。

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