用于合成孔径雷达的灵活组合式多功能宽带超表面天线

本公开涉及合成孔径雷达，具体涉及一种用于合成孔径雷达的灵活组合式多功能宽带超表面天线。

背景技术：

1、合成孔径雷达(sar)正在朝向多极化，高分辨率，大幅宽，多频谱和多模式的方向发展。雷达天线是sar系统的一个重要的组成部分，决定了它的性能，其波束形状和波束扫描能力将会影响sar的距离与方位分辨率，成像模糊度，系统灵敏度和测绘带带宽等。随着雷达科学技术的进步，合成孔径雷达天线的设计也面临着新的挑战。

2、目前在sar系统中，波导缝隙阵列天线由于其成本低，加工便捷且精度高，结构紧促，高增益，口径分布容易控制等特点而被广泛使用，如由美国宇航局(nasa)和鲍尔(ball)宇航公司共同设计生产的sir-c sar卫星的天线以及德国宇航局(dlr)和多尼厄公司设计开发的radarsat-ii sar卫星的天线。但是，随着高分宽幅的技术发展，sar系统需要更宽工作带宽，波导缝隙阵列天线结构的复杂度就会大幅上升，加工难度和成本的提高。此外，一些新体制的概念如多波段、多极化、可变视角与可变波束宽度、小型化超轻型充气式sar阵列等的发展要求了更加紧凑、集成、固态和易迭代调试的模块化天线。并且在日益复杂的电磁环境中，如何通过天线提高sar系统的信噪比，降低sar的雷达反射面积，提高sar成像系统的隐身性和安全性也成为日益关注的课题。

3、综上所述，如何在现有sar系统天线的基础上，围绕多功能、紧凑集成和易迭代调试的需求，提出一种灵活组合式多功能易迭代调试的宽带天线是一个具有很大意义的问题。

技术实现思路

1、本公开实施例提供一种用于合成孔径雷达的灵活组合式多功能宽带超表面天线。

2、第一方面，本公开实施例中提供了一种用于合成孔径雷达的灵活组合式多功能宽带超表面天线，其特征于：由内向外包括：位于中心位置的核心超表面天线和位于四周位置的外围超表面，核心超表面天线和外围超表面通过u型槽插拔结构相连接，其中，能够根据不同应用场景替换不同结构的所述核心超表面天线和所述外围超表面。

3、进一步地，所述核心超表面天线工作在x波段，由厚度为1mm的两层介质基板与超表面天线层、微带馈线层和金属地层紧凑堆叠而成；超表面天线层和微带馈线层之间、微带馈线层和金属地层之间分别设置了所述两层介质基板，不同层间无空气间隙；所述超表面天线层上设置有3×3等间距矩形单元网格排布的方形四周切角辐射贴片单元；所述微带馈线层上设置有两条电感性耦合激励方式的侧馈微带线，每条所述侧馈微带线连接有1个信号输入端口，两条所述侧馈微带线连接的信号输入端口的输入信号的相位差为90度；金属地层被设置在下层介质基板的底侧。

4、进一步地，所述外围超表面由3×3相同朝向的无源i型单元阵列在水平面内排布而成，相邻阵列的间隙为2.9-3.1mm，所述无源i型单元阵列的排布方向在水平面内沿着竖直或水平方向，其整体的布局经由拓扑优化方式得到，呈现随机排列样式。

5、进一步地，所述无源i型单元阵列包括从上至下依次设置的辐射金属层、单层介质基板层和金属地层，整体厚度为3.8mm，不同层间无空气间隙。

6、进一步地，所述无源i型单元阵列的辐射金属层由i型的金属条带组成，它位于超表面单元的正中心，长度为6.3mm，宽度为3.6mm，相邻两个i型金属条带的间距为5.9-7.1mm，在i型金属条带的上下末端处均有相同长宽的矩形金属调谐支节，关于所述无源i型单元阵列单元的中心对称分布，相邻两个i型金属条带调谐支节的间距为0.4-0.6mm；所述单层介质基板层为均质介质板，没有金属化过孔，相对介电常数为2-4.5；所述金属地层为均质金属板，并不蚀刻间隙。

7、进一步地，所述外围超表面由数字控制的pin二极管超表面单元在水平面内周期循环排布而成，相邻pin二极管超表面单元的间隙为2.0-2.2mm，pin二极管超表面单元的排布方向在水平面内沿着竖直方向，排布的行数与列数相同，其整体的布局为正方形，宽度为280mm。

8、进一步地，所述数字控制的pin二极管超表面单元包括从上至下依次设置有顶层辐射金属层、单层介质基板层、底层金属地层和两个金属化过孔，整体厚度仅为3.8mm，不同层间无空气间隙。

9、进一步地，所述数字控制的pin二极管超表面单元的顶层辐射金属层由两个辐射体中心对称分布组成，末端为开路，同时在pin二极管超表面单元的中心采用射频pin二极管连接两个中心对称的辐射体；所述单层基板层为均质介质板，设有两个金属化过孔，将l型金属条带与底层金属地电连接，金属化过孔关于射频开关中心对称，电压通过金属化过孔控制射频开关通断，相对介电常数为2-4.5；所述底层金属地层为均质金属板，在单元中央沿射频开关放置方向，蚀刻金属间隙，金属间隙将底层金属地层分割为两部分，保证加直流偏压时射频开关良好的通断。

10、进一步地，所述顶层辐射金属层的每个辐射体由两种l型的金属条带连接而成，第一种l型金属条带关于射频开关旋转对称连接，其顶部宽度为1.9-2.2mm，纵向长度为3.6-4.4mm；第二种l型金属条带末端开路，另一端与第一种l型金属条的末端连接，关于射频开关旋转对称分布，其顶部宽度为2.6-3.0mm，纵向长度为5.0-5.6mm；两种金属条带之间的纵向间隙距离为0.26-0.27mm，横向间隙距离为0.25-0.75mm。

11、进一步地，所述底层金属地层蚀刻的金属间隙的取值范围为0.16-0.18mm，同时金属间隙两边的金属地层也作为电极分别接外部驱动电源的正极和负极。

12、进一步地，所述u型槽插拔结构包括位于核心超表面天线的剖面中心位置处的u型凸出和剖面中心位置处的外围超表面的u型凹槽，u型凸出和u型凹槽的厚度尺寸相同，均为1/3的整体厚度1.3mm，u型凸出的长度为6mm，u型凹槽的深度为5.8mm，以实现过盈配合。

13、本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

14、本公开实施例提出了一种用于合成孔径雷达的灵活组合式多功能宽带超表面天线及其相应物理配合结构。在9.6ghz时，其整体低剖面仅为0.06λ0。本发明中的可灵活配置的核心超表面天线和外围超表面能够提供多种多样的功能，例如当配置无源的经拓扑优化过序列的i形编码外围超表面时，在核心天线的工作带宽内，在不引入外部能量的前提下，天线整体的雷达截面积极大地减少了90％，提升了合成孔径雷达成像系统的隐身性和安全性。当配置数字控制的pin二极管外围超表面时，核心天线的工作带宽被拓展为到28.9％(8.35ghz-11.7ghz)，极化轴比被优化为19.5％(8.35ghz-10.16ghz)，法向增益被增加到9.56dbi以上。本公开实施例一是优化及创新了合成孔径雷达收发模式下的天线结构，具有简单可靠的模块化结构可根据任务需求灵活配置的特点；二是满足了合成孔径雷达高精度多种发射模式和相应幅相一致多极化接收的要求，在低剖面下可有效增加核心天线的工作带宽，优化天线辐射方向图和减少互耦特性，进一步提升合成孔径雷达的成像性能，减少合成孔径雷达系统的信干比。或通过减少天线整体的雷达截面积，极大的提高该成像系统的隐身性和安全性，为进一步小型化，隐身合成孔径雷达提供了基础，实现了各项指标，具有良好的实际应用价值。

15、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。