一种基于极化不敏感混合超表面的低RCS贴片天线阵列

一种基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列
技术领域
1.本发明涉及微波天线设计技术领域，主要涉及一种基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列。


背景技术：

2.随着电子技术的迅猛发展，现代战争逐渐转变为高科技电子战和信息科技战。高灵敏度的雷达探测技术的发展，使得己方军事设备的生存和突防能力受到超视距防御打击的威胁。阵列天线作为武器平台雷达散射截面的主要贡献者，在保证其辐射性能的同时实现隐身设计至关重要。基于此，在不影响天线的辐射性能的同时缩减天线的雷达散射截面是提高武器平台生存能力的关键。
3.不同于其他散射体，天线是一种包含了辐射的特殊散射体，由于其高增益的特性，使得对系统的总雷达散射截面贡献很大，天线的rcs缩减能力关系到己方目标能否躲避敌方雷达的探测与追踪，对系统的隐身性能有着举足轻重的作用。
4.随着电磁超材料和超表面的问世以及天线罩频选技术的发展，应用超表面实现对天线的雷达散射截面进行缩减甚至控制已成为科研人员研究的热点。然而当前的研究中大多只采用单一种类的超表面来实现天线的隐身功能，对于rcs缩减的带宽和程度是十分有限的，一般也只能实现单一极化下的天线隐身。因此，应用混合超表面对天线进行隐身设计具有重要的研究意义和战略意义。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列，旨在保证天线正常辐射的前提下，尽可能地实现对天线rcs的缩减，且保证其对极化方式不敏感。
6.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列，包括自下而上层叠设置的第一介质层、金属背板层、第二介质层和第三介质层；所述第一介质层下表面设置有功分馈电网络；所述金属背板层无缝印刷于第一介质层和第二介质层之间，所述第二介质层上表面印刷有若干矩形金属贴片；在第二介质层和第三介质层之间设置有空气腔；所述第三介质层上表面印刷有棋盘分布的极化不敏感混合超表面。
8.进一步地，所述极化不敏感混合超表面分布于2*2的棋盘格内，包括第一超表面rm a和第二超表面rm b；所述第一超表面rm a和第二超表面rm b沿棋盘对角间隔设置，沿对角线方向超表面布局相同。
9.进一步地，所述rm a与竖直方向对应的空气腔和金属背板层共同构成超材料吸波体，满足吸波原理，将一部分电磁能转化为热能消耗；rm b与竖直方向对应的空气腔和金属背板层共同构成amc；所述超材料吸波体和amc具有180
±
37
°
的有效相位差，满足无源相位对消条件，实现降低rcs。
10.进一步地，所述第一超表面rm a包括对角设置的两块6*6规格的第一金属贴片单元阵列；第一金属贴片单元表面采用对称耶路撒冷结构，包括两条以轴心为对称中心的十字金属贴片，尺寸为6.0mm
×
0.3mm，十字金属贴片四个端部分别垂直设置有四条沿边金属贴片，尺寸为5.0mm
×
0.3mm；第一金属贴片单元周期尺寸为7.5mm
×
7.5mm；沿十字金属贴片的四边分别嵌有4个集总电阻，单个阻值均为70ω。
11.进一步地，所述第二超表面rm b包括对角设置的两块6*6规格的第二金属贴片单元阵列；每个第二金属贴片单元均为正方形金属环，单元周期尺寸为7.5mm
×
7.5mm，每个正方形金属环边长为7.0mm，宽度为0.1mm；沿正方形金属环每条边的中心对称加载有4个集总电阻，单个阻值均为100ω。
12.进一步地，所述第一介质层和第二介质层均采用尺寸为90mm
×
90mm
×
0.254mm的rogers 5880介质基板，介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009；第三介质层采用尺寸为90mm
×
90mm
×
0.8mm的fr-4介质基板，介电常数为4.4，损耗正切角为0.02；所述空气腔位于第二介质层和第三介质层之间，高度为4mm；所述金属背板层高度为0.035mm。
13.进一步地，所述第二介质层上表面印刷有规格为4*4的矩形金属贴片；所述矩形金属贴片通过同轴馈电方式由第一介质层下表面的功分馈电网络供电。
14.进一步地，单个矩形金属贴片尺寸为9.7mm
×
7.5mm，贴片间距为19.6mm。
15.进一步地，所述功分馈电网络采用一分十六的功分馈电方式，具体组合方法如下：
16.每两个矩形金属贴片之间通过一个一级一分二功分器馈电，再将上下两个功分器同样通过一个二级一分二功分器级联，最后通过功分器依次级联，实现对天线阵列的等幅同相馈电。
17.进一步地，第一介质层、金属背板层、第二介质层上与矩形金属贴片对应位置均设有直径为1mm的金属馈电通孔，每个矩形金属贴片通过金属馈电通孔与功分馈电网络连接，并由功分馈电网络实现供电。
18.有益效果：
19.本发明设计的基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列，当天线阵处于辐射状态时，由于所述第一超表面rm a和第二超表面rm b本身均投射天线带内辐射波，因此，所述混合超表面对于天线阵列相当于带通频选层，不影响天线的正常辐射性能。当天线处于散射状态时，所述超材料吸波体和与之存在有效反射相位差的amc进行2
×
2棋盘放置，应用吸波和无源相位对消的原理降低阵列天线双极化rcs。
附图说明
20.图1为本发明基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的整体三维结构图和所述超材料吸波体与amc的三维结构图；
21.图2为本发明基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的第三介质层上表面极化不敏感混合超表面结构示意图；
22.图3为本发明基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的第二介质层上表面印刷的矩形金属贴片结构示意图；
23.图4为本发明基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的第一介质层下表面功分馈电网络结构示意图；
24.图5a为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的第一超表面rm a的s参数曲线；
25.图5b为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的第二超表面rm b的s参数曲线；
26.图6a为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的超材料吸波体吸波率曲线
27.图6b为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列中超材料吸波体和amc的反射幅度对比图；
28.图6c为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列中超材料吸波体和amc的反射相位及相位差；
29.图7为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的辐射性能对比图；其中图7a为加载混合超表面前后的"s"_"11"对比曲线；图7b为谐振点12.3ghz的二维增益对比图；图7c为参考天线在谐振点12.3ghz的三维增益图；图7d为加载极化不敏感混合超表面的天线在谐振点12.3ghz的三维增益图。
30.图8a为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的共极化垂直入射下的rcs示意图；
31.图8b为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的交叉极化垂直入射下的rcs示意图；
32.图9为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的谐振频率处的三维散射图；其中图9a为共极化下的参考天线，图9b为共极化下的本发明设计天线，图9c为交叉极化下的参考天线，图9d为交叉极化下的本发明设计天线；
33.图10a为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的谐振频率处共极化双站rcs对比曲线；
34.图10b为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的谐振频率处交叉极化双站rcs对比曲线；。
35.附图标记说明：
36.1-第一介质层；2-金属背板层；3-第二介质层；4-空气腔；5-第三介质层；6-功分馈电网络；7-矩形金属贴片；8-第一金属贴片单元；9-第二金属贴片单元。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本实施例提供的基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列包括上层以极化不敏感的透射型超表面通过棋盘布局组成的极化不敏感混合超表面和下层带有金属背板的4
×
4微带阵列天线。具体结构如图1所示，包括自下而上层叠设置的第一介质层1、金属背板层2、第二介质层3和第三介质层5。在第二介质层3和第三介质层5之间设置有空气腔4，高度为4mm。
39.本实施例中，第一介质层1和第二介质层3均采用尺寸为90mm
×
90mm
×
0.254mm的
rogers 5880介质基板，介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009；第三介质层5采用尺寸为90mm
×
90mm
×
0.8mm的fr-4介质基板，介电常数为4.4，损耗正切角为0.02；所述金属背板层2高度为0.035mm。
40.所述第一介质层1下表面设置有功分馈电网络6；所述金属背板层2无缝印刷于第一介质层1和第二介质层3之间，所述第二介质层3上表面印刷有若干矩形金属贴片7，具体如图3-4所示。
41.第二介质层上表面印刷有规格为4*4的矩形金属贴片7；单个矩形金属贴片尺寸为9.7mm
×
7.5mm，贴片间距为19.6mm。所述矩形金属贴片7通过同轴馈电方式由第一介质层下表面的功分馈电网络6供电。
42.功分馈电网络6采用一分十六的功分馈电方式，具体组合方法如下：每两个矩形金属贴片之间通过一个一级一分二功分器馈电，再将上下两个功分器同样通过一个二级一分二功分器级联，最后通过功分器依次级联，实现对天线阵列的等幅同相馈电。
43.实际工作时，第一介质层、金属背板层、第二介质层上与矩形金属贴片对应位置均设有直径为1mm的金属馈电通孔，每个矩形金属贴片通过金属馈电通孔与功分馈电网络连接，并由功分馈电网络实现供电。
44.所述第三介质层上表面印刷有棋盘分布的极化不敏感混合超表面。
45.极化不敏感混合超表面具体结构如图1-2所示，分布于2*2的棋盘格内，包括第一超表面rm a和第二超表面rm b；所述第一超表面rm a和第二超表面rm b沿棋盘对角间隔设置，沿对角线方向超表面布局相同。
46.第一超表面rm a包括对角设置的两块6*6规格的第一金属贴片单元阵列；第一金属贴片单元表面采用对称耶路撒冷结构，包括两条以轴心为对称中心的十字金属贴片，尺寸为6.0mm
×
0.3mm，十字金属贴片四个端部分别垂直设置有四条沿边金属贴片，尺寸为5.0mm
×
0.3mm；第一金属贴片单元周期尺寸为7.5mm
×
7.5mm；沿十字金属贴片的四边分别嵌有4个集总电阻，单个阻值均为70ω。
47.第二超表面rm b包括对角设置的两块6*6规格的第二金属贴片单元阵列；每个第二金属贴片单元均为正方形金属环，单元周期尺寸为7.5mm
×
7.5mm，每个正方形金属环边长为7.0mm，宽度为0.1mm；沿正方形金属环每条边的中心对称加载有4个集总电阻，单个阻值均为100ω。
48.所述rm a与竖直方向对应的空气腔和金属背板层共同构成超材料吸波体，满足吸波原理，将一部分电磁能转化为热能消耗；rm b与竖直方向对应的空气腔和金属背板层共同构成amc；所述超材料吸波体和amc具有180
±
37
°
的有效相位差，满足无源相位对消条件，实现降低rcs。
49.下面通过商用软件hfss对本实施例提供的混合超表面单元分别进行仿真计算，验证本发明提供的天线阵列性能。
50.如图5a-5b所示，由于所设计超表面单元均为对称结构，因此具有极化不敏感特性。图5a为第一超表面rm a的s参数曲线，rm a在10.5
–
14.0ghz内的传输系数s
21
大于-3db，能够透射天线的辐射波；在天线的工作频段内的反射系数s
11
接近-10db。图5b为第二超表面rm b的s参数曲线，在10.3
–
20.0ghz内的传输系数s
21
大于-3db，且在11.7
–
20.0ghz内的传输系数s
21
大于-2db。在天线的工作带宽范围内，两个超表面单元的透射相位接近，保持同相，
可以很好地保证天线的辐射特性不发生改变。
51.图6a-6c为由第一超表面rm a和第二超表面rm b组成的超材料吸波体和amc单元的仿真特性曲线，由图6a可以看出，吸波体在4.6
–
10.9ghz频率范围内的吸波率高于90％，满足工程上天线隐身的要求。由图6b可以看出，吸波体单元由于其在低频段的吸波效果，在4.0
–
11.6ghz内的反射系数幅值低于0.5，在11.2
–
13.4ghz内的反射幅度在0.4-0.8范围内；而由rm b构成的amc同样加载了集总电阻，存在一定的吸波损耗，同时amc在4.5
–
17.2ghz内的反射幅值几乎保持不变，均在0.65
–
0.8范围内。由图6c可以看出，两种超表面单元在9.9
–
15.5ghz内反射相位差在180
°±
37
°
之间，满足无源相位对消的条件，将其棋盘排布可用于缩减阵列天线的后向rcs。
52.图7a-7d为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的辐射性能对比图。具体地，图7a所示为s
11
对比曲线，与参考天线相比，所设计天线的谐振频点与之一致，仍谐振于12.3ghz；同时，在12.2ghz
–
12.4ghz频段内，两款阵列天线的s
11
均小于-10db，阻抗带宽也基本一致；所设计的隐身天线在谐振点12.3ghz处的反射系数达到了-14.9db，满足工程应用的需求。图7b所示为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列与参考天线在谐振频点12.3ghz处的二维方向图对比曲线，所设计天线在谐振频率处的方向图与参考天线基本保持一致，且主瓣最大增益达到16.0db，与参考天线的20.2db相比减小了4.2db，而辐射模式基本不变；这是由于在谐振频率处，rm a和rm b的传输系数均在-3db左右，有部分辐射能量被反射，从而被吸收和对消至其他角域，而rm a和rm b的传输特性为天线的正常辐射提供了条件。图7c和图7d所示分别为12.3ghz时基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列和参考天线的三维增益方向图，所设计天线的主瓣增益基本不发生变化，可以认为加载所述混合超表面仍可以保证天线的正常辐射。
53.图8a-8b为基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列及参考天线在不同极化电磁波垂直入射下的单站rcs对比曲线。图中的数据均是天线接匹配负载状态时仿真得到的。在天线共极化和交叉极化下所设计天线的宽带单站rcs均有所缩减，这是由于天线加载的第一超表面和第二超表面均为极化不敏感结构。对于垂直入射的共极化波，如图8a所示，所设计天线对比参考天线在4.0
–
20.0ghz频带内的rcs均有所缩减，在10.2-15.0ghz内较参考天线的单站rcs缩减值大于10db，相对带宽达到了38.1％；在谐振频率12.3ghz处的单站rcs缩减值为11.2db，同时，在11.6和12.6ghz处所设计阵列天线的单站rcs缩减分别达到极大值25.2和25.8db。对于垂直入射的交叉极化波，如图8b所示，基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列与参考天线相比，除了8.2ghz处的单站rcs略高，在4.0
–
20.0ghz其余频带内的rcs均有缩减，所设计天线在10.4
–
15.0ghz内实现了10db以上的单站rcs缩减，相对带宽达到了36.2％；同时，在谐振频率12.3ghz处的单站rcs缩减达到最大值30.7db，这是由于在此频段内的超材料吸波体和amc的反射系数幅值均小于1，且满足180
°±
37
°
相位差，rcs缩减效果得到提升；同时在4.6
–
10.9ghz频段内，由rm b构成的超材料吸波体单元吸波率达到90％及以上，由图8可知，在4.0
–
10.0ghz频带内除8.2ghz以外，双极化rcs缩减值均高于5db。因此，加载混合超表面可以同时降低宽带范围内天线双极化下的带内rcs。虽然所设计天线的增益较参考天线降低了4db，但是相较于其带来的隐身效果是值得的，且可通过另外的补偿方式弥补天线的增益。
54.如图9a-9d所示，为了验证基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的双
极化下rcs吸收和对消的效果，分别给出了阵列天线共极化以及交叉极化波垂直入射下谐振频率12.3ghz处的三维散射图。根据图中标度颜色的不同，可以直观地看出，天线的主散射峰能量均被抑制，转移至其他角域。因此，可以验证所设计天线具有带内双极化隐身效果。
55.如图10a-10b所示，为了更直观地看出基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的双极化下rcs的缩减效果，分别给出了所设计阵列天线与参考天线在共极化和交叉极化波垂直入射下谐振频率处的双站rcs随角度theta变化的对比曲线。在天线共极化波和交叉极化波的照射下，所设计天线的双站rcs的散射主峰能量均有所降低。在谐振频点处，吸波体与amc的反射幅度均接近0.5，反射相位差为186
°
，此时rcs缩减是由吸波和对消叠加的效果。如图10a所示，对于天线共极化波垂直入射的情况，在
±
12.6
°
的角域内，散射能量被分散至其他角域；同样地，在交叉极化波入射下，如图10b所示，为0
°
的散射能量被抑制，转移至
±
16.0
°
。因此基于极化不敏感混合超表面的低rcs贴片天线阵列的双极化后向rcs得到有效缩减。
56.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。