CN211829191U - 一种基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低rcs天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低雷达散射截面积(RCS)天线,它由双功能超表面和天线结构组成。整体结构有五层,第一层和第三层的金属结构层,第二层和第四层的介质层,第五层的金属背板。双功能超表面由8个基本单元结构进行二维相位梯度排列而成,可在宽频带内同时实现对电磁波的异常反射和极化转换。天线结构的辐射贴片设计在整体结构的第三层,与超表面共用第四层的介质层和第五层的金属背板。辐射贴片周围加载金属方环,避免超表面单元的干扰。本发明所设计的低RCS天线具有良好的宽频带内RCS缩减性能,对于单站单极化的雷达有着良好的隐身效果,同时天线还可以保持良好的辐射性能。本发明对隐身天线领域有着重要的应用意义。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术,隐身天线领域,尤其涉及反射型相位梯度超表面,极化转换超表面以及贴片天线。
背景技术
极化与波前是电磁波的重要属性之一。能够实现对电磁波极化状态与波前的控制在微波领域,隐身领域以及通信领域都具有非常重要的意义。传统的调控电磁波极化和波前的方法是通过相位路径积累的方法实现的,基于这种思路制作出的器件往往体积都很大又笨重。超材料的问世则给调控电磁波提供了另一种途径。
超材料是由亚波长结构单元周期性排列而成,它具有自然界材料所不具备的电磁特性。人们可以调控超材料的单元结构来达到调控电磁波的目的。超表面则是二维的超材料,调控超表面内单元的排布方式以及单元结构的参数,进而可以调控电磁波的极化,幅值,相位。例如相位梯度超表面,广义斯涅耳定律的提出为相位梯度超表面调控电磁波的传播方向奠定了理论基础,机理则是在界面不同位置引入了离散的不同的相位突变,对这些相位突变进行人为设计排布,从而控制反射或是透射波的传播方向。又例如极化转换超表面,利用超表面的各向异性,调控单元结构的参数,改变x和y方向的电磁参数,从而实现对入射电磁波的极化转换。相比于传统的调控电磁波的方式,这种通过设计超表面单元结构,调整单元结构尺寸以及调整单元组阵排布方式来实现对电磁波状态的自由调控,可以极大地减少器件的厚度和体积,极大地简化设计,降低制作难度。此外,基于超表面的器件还具有低损耗的优势。因此,超表面在现代隐身,天线,通信,电子对抗等领域有着重要的应用价值和应用前景。
现在大多数超表面的设计仅仅具有单一功能,无法同时做到对电磁波极化和波前的双重调控。现有的兼具双功能的超表面的工作带宽相对较窄,构成相位梯度超表面的基本单元数较少,可能会导致栅瓣的出现。另一方面,极化超表面隐身,相位梯度超表面隐身技术已被许多研究者提出并应用,但兼具这两项功能的超表面与天线的联立设计还尚不多见。因此,面向隐身天线的设计需求,结合极化转换超表面和相位梯度排布降低天线的单站RCS是目前实现宽带隐身天线的新途径之一。
发明内容
本发明的目的是提供了一款基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,可应用于隐身天线领域中。
为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:
本发明中所述的基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,结合了双功能超表面和天线结构,整体结构包括第一层的金属结构层(1),第二层的介质层(2),第三层的金属结构层(3),第四层的介质层(4)和第五层的金属背板(5),该结构结合了双功能超表面和天线结构。所述的双功能超表面由8个基本单元结构按二维相位梯度排列而成,所述的8个基本单元结构包括三层结构,上层的金属结构层(6),中间的介质层(7),以及底层的金属背板 (8),上层的金属层(6)具有相似的结构,结构尺寸不同,最上层保持在同样高度,介质层厚度不同。正是因为不同厚度的介质层(7)导致了整体结构必须有第三层的金属结构层(3),第四层的介质层(4)。所述的8个基本单元结构上层的金属结构层(6)由长金属弧结构(9),短金属弧结构(10)和金属圆贴片结构(11)组成,金属圆贴片结构(11)中心与单元中心重合。所述的 8个基本单元结构可以在8~14GHz内实现极化转换效率高于80%的线极化转换,按反射的交叉极化分量的相位梯度进行3比特编码设计,8个基本单元结构依次编码为 000,001,010,011,100,101,110,111,所对应的反射相位分别为:0°,45°,90°,135°,180°,225°, 270°,325°,其中以000单元的反射相位为参考相位0°,各单元依次相位相差45°。
所述的天线结构充分利用基本单元结构介质层厚度不同带来的多层结构。所述的天线结构包括上层的辐射贴片(12),第四层的介质层(4)和第五层的金属背板(5)。所述的辐射贴片设计在第三层的金属结构层(3)的中心处,馈电方式采用同轴底馈,距辐射贴片中心周围 32*32mm,包括辐射贴片上方32*32mm内去除其余金属基本单元结构,避免这些金属基本单元结构影响贴片天线的工作性能。辐射贴片天线与双功能超表面共用整体结构第四层的介质层 (4)和第五层的金属背板(5)。为了进一步降低最上层具有极化转换功能的金属结构层(1)对天线性能的影响,在天线周围加载金属方环(13),与整体结构的第二层的介质层(2)同层。
本发明公开了一种基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,有益效果如下:
1)通过多层结构与3比特编码基本单元结构的设计,拓展了双功能超表面的工作带宽,进一步拓展了RCS的缩减带宽,相较于其它依靠相位梯度超表面缩减单站RCS的研究,本发明的相位梯度超表面还改变了雷达回波的极化转态,引入了极化状态上的隐身;相对于现有极化转换棋盘式排布的超表面隐身技术,本发明的具有极化转换功能的相位梯度超表面将雷达探测波反射至另一方向上,散射方向图只有一个主瓣而不是四个主瓣。
2)将双功能超表面与天线联合设计,既缩减了天线的单站RCS,又保证了天线能够正常工作。
附图说明
图1是本发明的基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线三维结构示意图;
图2是具有极化转换功能的相位梯度超表面的8个基本单元结构图;
图3是天线结构三维示意图;
图4是TE波垂直入射下,编码为000,001,010,011的4个基本单元结构的极化转换率曲线;
图5是TE波垂直入射下,编码为000,001,010,011的4个基本单元结构的交叉极化反射相位曲线;
图6是本发明的低RCS天线的反射系数曲线;
图7是本发明的低RCS天线在10GHz下的E面和H面的辐射方向图;
图8是本发明的低RCS天线在10GHz下的三维辐射方向图;
图9是有无超表面覆层下所设计的贴片天线的单站RCS曲线;
图10是平面波沿-z轴垂直入射下,结合双功能超表面的贴片天线在10GHz下的交叉极化方向上的散射方向图;
图11是平面波沿-z轴垂直入射下,未结合双功能超表面的贴片天线在10GHz下的共极化方向上的散射方向图;
图12是平面波沿-z轴垂直入射下,结合双功能超表面的贴片天线在10GHz下的共极化方向上的散射方向图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明具体的技术方案实施:
本具体实施方式公开了一种基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,结合了双功能超表面和天线结构。如图1,整体结构包括第一层的金属结构层(1),第二层的介质层(2),第三层的金属结构层(3),第四层的介质层(4)和第五层的金属背板(5),其中第二层的介质层(2)厚度为3.5mm,第四层的介质层(4)厚度为0.5mm,介质层材质均为F4B,介电常数为2.65,损耗角正切为0.001。这五层结构均是按顺序依次无缝层叠而成。为了从机理上阐明结构设计,下面分双功能超表面和天线结构两部分进行介绍。
双功能超表面由8个基本单元结构进行二维相位梯度排布而成。如图2,这8个基本单元结构包括上层的金属结构层(6),中间的介质层(7)和底层的金属背板(8),这8个基本单元结构上层的金属结构层(6)结构相似,尺寸不同,上层的金属结构层(6)保持在同一高度,介质层厚度有所不同,因此导致了整体结构必须有第三层的金属结构层(3),充当部分基本单元结构的金属背板,第四层的介质层(4),补足部分基本单元结构的介质层厚度。这8个基本单元结构上层的金属结构层(6)由长金属弧结构(9),短金属弧结构(10)和金属圆贴片结构(11) 组成。长金属弧结构作为主谐振器,短金属弧结构和金属圆贴片结构作为耦合部分。这8个基本单元结构的单元周期都相同,为8*8mm,长金属弧和短金属弧的外径都相同,为3.9mm,短金属弧的宽度为0.2mm。其余尺寸参数有所不同,为方便说明各个基本单元结构的参数,变量定义如下,长金属弧的宽度为W1,长金属弧所对应的圆心角为α,短金属弧所对应的圆心角为β,金属圆贴片的半径为R3,基本单元结构的介质层的厚度为h。调整这些变量,可以调控基本单元结构的交叉极化反射系数幅值和相位,实现覆盖0~360度的相位梯度超表面,单元间相位差为45度。如图2,将8个基本单元结构从左至右,分别编码为 000,001,010,011,100,101,110,111,所对应的反射相位分别为:0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,325°,其中以000单元的反射相位为参考相位0°,各单元依次相位相差45°。因为所设计的8个基本单元结构均可实现极化转换,根据矢量分解原理,将单元顺时针或逆时针旋转90度,旋转后的单元与未旋转的单元反射相位相差180度,而反射幅值由于结构的对称性保持不变,例如,100单元可由000单元顺时针旋转90度得到。因此,只需调节出000,001,010,011 单元,便可以通过旋转得到另一组基本单元结构100,101,110,111,构成相位梯度超表面。利用CST微波工作室软件,设计并调整这4个基本单元结构的参数。设计好的尺寸变量参数与这四个单元的关系如表1所示:
表1四单元尺寸变量参数
α(°) | β(°) | W1(mm) | R3(mm) | h(mm) | |
单元000 | 155 | 55 | 0.2 | 1.0 | 3.5 |
单元001 | 165 | 80 | 0.4 | 2.0 | 3.5 |
单元010 | 205 | 45 | 0.4 | 1.5 | 4 |
单元011 | 235 | 20 | 0.3 | 1.7 | 4 |
进一步的,如图4,平面波(极化方向沿x或y轴)沿-z轴垂直入射至基本单元结构表面时,单元000,001,010,011的极化转换率在8~14GHz内均高于80%。如图5,单元 000,001,010,011的交叉极化反射相位在8~14GHz内依次相差45度。
天线结构包括上层的辐射贴片(12),第四层的介质层(4)和第五层的金属背板(5)。天线设计充分利用了超表面的多层结构,与双功能超表面共用第四层的介质层(4)和第五层的金属背板(5)。上层辐射贴片设计在第三层的金属结构层(3)的中心处,辐射贴片为矩形,长为12.4mm,宽为8.1mm,长边沿着y轴方向,馈电方式采用同轴底馈,馈电点在x轴上,距离贴片中心 3.0mm。距辐射贴片中心周围32*32mm,包括辐射贴片上方32*32mm内去除超表面的金属基本单元结构,避免这些金属基本单元结构影响贴片天线的工作性能。为了进一步降低最上层具有极化转换功能的金属结构层(1)对天线性能的影响,在天线周围加载金属方环(13),与整体结构的第二层的介质层(2)同层,金属方环壁厚1.6mm,外环边长31.0mm。将天线结构与双功能超表面设计在一起,如图1。用CST微波工作室对整体结构的天线性能参数进行仿真优化。
如图6,所设计的基于有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,工作在10GHz,端口反射系数小于-30dB,是一个单频点天线。如图7和图8,该天线的辐射能量集中在z轴的上半空间,该天线的E面和H面的3dB波束宽度分别为88.2度和69.2度,天线在+z方向的增益为8.3dBi,主辐射方向稍微偏离+z方向,这是因为与天线同层的部分金属反射板与上方的超表面的金属结构影响了天线的辐射性能,但由于隔离金属方环的存在,这种影响不至于使天线的辐射性能急剧恶化。
为了进一步探究本发明的低RCS天线对于雷达探测波的散射情况,利用CST微波工作室仿真平面波沿-z轴方向垂直入射至有超表面覆层和无超表面覆层的天线表面时,波的散射情况。如图9,当天线结合了双功能超表面设计时,相比于无超表面覆层的天线,在8~14GHz 内单站RCS的缩减均值在10dBm2以上,在13GHz附近RCS缩减值可达28dBm2。由于组成具有极化转换功能的相位梯度超表面的8个基本单元结构,除了都在8~14GHz内发生极化转换外,各自还在不同频段内发生极化转换,使得整体结构在6~20GHz内都有不同程度的单站RCS缩减效果。如图10和图11,可以明显看出在10GHz处,有超表面覆层的贴片天线单站RCS缩减效果十分明显,此外还可以看出散射方向图只有一个主瓣,远远偏离+Z轴方向,这体现了超表面的相位梯度设计带来的异常反射效果。另外,图10是交叉极化方向(与入射的平面波极化方向垂直)的散射方向图,图12是共极化方向(与入射的平面波极化方向相同)的散射方向图,明显可以看出在10GHz频点处,入射的平面波能量大多被转移至另一极化方向上,这体现了双功能超表面的极化转换效果。以上充分证明了本发明的基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线具有良好的隐身效果,对于单极化单站RCS探测的雷达隐身效果尤为明显。
Claims (4)
1.一种基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,其特征在于:整体结构包括五层结构,第一层的金属结构层(1),第二层的介质层(2),第三层的金属结构层(3),第四层的介质层(4)和第五层的金属背板(5),结合了双功能超表面和天线结构;所述的双功能超表面由8个基本单元结构进行二维相位梯度排布而成,可以在8~14GHz内同时实现对电磁波的异常反射和极化转换,所述的8个基本单元结构由三层结构组成,上层的金属结构层(6),中间的介质层(7),以及底层的金属背板(8),上层的金属层具有相似的结构,结构尺寸不同,介质层厚度不同,最上层保持在同样高度。
2.根据权利要求1所述的基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,其特征在于:所述的8个基本单元结构均可在宽频带内实现线极化转换,按反射的交叉极化分量的相位梯度进行3比特编码设计,8个基本单元结构分别编码为000,001,010,011,100,101,110,111,对应相位分别为:0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,325°,其中以000单元的反射相位为参考相位0°。
3.根据权利要求1所述的基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,其特征在于:所述的8个基本单元结构的上层的金属结构层(6)由长金属弧形结构(9),短金属弧形结构(10)和金属圆贴片结构(11)组成,所述的金属圆贴片结构(11)中心与单元中心重合。
4.根据权利要求1所述的基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低RCS天线,其特征在于:所述的天线结构包括上层的辐射贴片(12),第四层的介质层(4)和第五层的金属背板(5),所述的辐射贴片置于超表面的中心处,辐射贴片与第三层金属结构层(3)处在同一层,贴片天线四周加载金属方环壁(13),金属方环壁(13)与第二层的介质层(2)同层。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |