基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线转让专利
申请号 : CN202010848147.1
文献号 : CN111900547B
文献日 : 2021-04-27
发明人 : 姜文 , 席延 , 张姣龙 , 张浩宇 , 孙红兵 , 李小秋 , 周志鹏
申请人 : 西安电子科技大学 , 中国电子科技集团公司第十四研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线,其特征在于,包括自上而下排布且互不接触的正方形上层介质板(1)、中层介质板(2)和下层介质板(3);所述上层介质板(1)上表面的中心位置印制有周期性排布的M×M个矩形微带辐射贴片(4),M≥2;所述中层介质板(2)的上表面印制有编码超表面(5),该编码超表面(5)是通过在最优编码序列矩阵中值为1的位置各布局一个超级子单元(51)所形成的;所述超级子单元(51)包括K×K个周期性排布的基本单元(511),K≥2,所述基本单元(511)包括中心蚀刻有圆形缝隙的十字型金属贴片(5111)和分布在其每个角所在区域且与该十字型金属贴片(5111)相接的圆环金属贴片(5112),四个圆环金属贴片(5112)关于十字型金属贴片(5111)的中心旋转对称,且每个圆环金属贴片(5112)位于其所在区域对应的角的角分线上;所述下层介质板(3)的上2
表面印制有单输入M 输出的微带馈电网络(6),该微带馈电网络(6)通过贯穿中层介质板(2)和上层介质板(1)的金属探针与微带辐射贴片(4)连接,所述下层介质板(3)的下表面印制有金属辐射地板(7)。
2.根据权利要求1所述的基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线,其特征在于,所述周期性排布的M×M个矩形微带辐射贴片(4),其中心位于上层介质板(1)的中心法线上。
3.根据权利要求1所述的基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线,其特征在于,所述最优编码序列矩阵,采用快速优化方法获取,具体实现步骤为:步骤1)构建与编码超表面(5)同规模的包括R×R个阵列单元的超表面阵列,并根据天线阵列理论,当入射电磁波作用在超表面阵列上时,通过单元方向图EP和阵因子方向图AF表示超表面阵列的散射场F:
F=EP·AF
其中R≥2,θ和 分别表示反射电磁波的仰角和方位角,k0表示波数, 和 分别表示超表面阵列中两个正交方向上第m个单元和第n个单元的相位响应,d表示超表面阵列单元的周期,θi和 分别表示入射电磁波的仰角和方位角;
步骤2)通过F构建适应度函数Fitness,并通过Fitness对超表面阵列的首行进行穷举优化,得到一维编码序列矩阵,其中Fitness的表达式为:Fitness=min(Fmax);
步骤3)根据加法定理对一维编码序列矩阵进行拓展,得到二维编码序列矩阵,并对二维编码序列矩阵与同规模的按0和1间隔排布的二维编码矩阵进行二进制加法运算,获得最优编码序列矩阵。
4.根据权利要求1所述的基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线,其特征在于,所述十字型金属贴片(5111),其中心蚀刻的圆形缝隙的的半径R1与圆环金属贴片(5112)的内半径R2之和,小于该十字型金属贴片(5111)中心与圆环金属贴片(5112)圆心之间的距离。
5.根据权利要求1所述的基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线,其特征在于,所述圆环金属贴片(5112),其圆心位于其所在区域对应的角的角分线上。
说明书 :
基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线
技术领域
背景技术
的关键在于如何缩减雷达截面,而雷达截面是散射特性中最基本的参数,它是指目标在平
面波照射下在给定方向上返回功率的一种量度。
线的辐射性能的同时减小天线RCS已成为迫在眉睫的问题。
排列并通过适当激励,获得预定辐射特性的天线。根据天线馈电电流、间距、电长度等不同
参数构成阵列,以获得所需要的辐射特性,在波束控制、频率扫描、相位控制等方向有广泛
应用。
由于其控制电磁散射波方面的灵活性,超表面被广泛用于降低天线的RCS。
Zhang等人在IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters期刊上发表了一篇名为
《Low Scattering Microstrip Antenna Array Using Coding Artificial Magnetic
Conductor Ground》的论文,该论文公开了一种使用编码AMC地板的低散射微带阵列天线。
文中将所得到具有最佳布局的编码AMC地板取代天线阵列的常规金属地板,实现了阵列天
线的RCS减缩,仿真结果表明:加载具有最佳布局的编码AMC地板的天线与参考天线相比,天
线的辐射性能未受影响,同时该阵列天线在6‑13.4GHz频带(相对带宽为76%)内RCS减缩量
仅约为5dB,未能同时实现良好的辐射性能和散射性能。
发明内容
辐射和散射性能的技术问题。
印制有周期性排布的M×M个矩形微带辐射贴片4,M≥2;所述中层介质板2的上表面印制有
编码超表面5,该编码超表面5是通过在最优编码序列矩阵中值为1的位置各布局一个超级
子单元51所形成的;所述超级子单元51包括K×K个周期性排布的基本单元511,K≥2,所述
基本单元511包括中心蚀刻有圆形缝隙的十字型金属贴片5111和分布在其每个角所在区域
且与该十字型金属贴片5111相接的圆环金属贴片5112,四个圆环金属贴片5112关于十字型
金属贴片5111的中心旋转对称,且每个圆环金属贴片5112位于其所在区域对应的角的角分
2
线上;所述下层介质板3的上表面印制有单输入M输出的微带馈电网络6,该微带馈电网络6
通过贯穿中层介质板2和上层介质板1的金属探针与微带辐射贴片4连接,所述下层介质板3
的下表面印制有金属辐射地板7。
AF表示超表面阵列的散射场F:
单元的周期,θi和 分别表示入射电磁波的仰角和方位角;
得最优编码序列矩阵。
贴片5111中心与圆环金属贴片5112圆心之间的距离。
有圆形缝隙的十字型金属贴片和分布在其每个角所在区域且与该十字型金属贴片相接的
圆环金属贴片,通过将编码超表面替代微带阵列天线的金属辐射地板,可以使入射电磁波
发生漫反射现象,能够保证微带阵列天线在5.9‑21.7GHz内可实现超过10dB的RCS减缩,解
决了现有技术中存在的天线RCS减缩带宽窄以及难以兼顾天线辐射和散射性能的技术问
题。
附图说明
具体实施方式
位置设置有用于金属探针通过的4个通孔;所述上层介质板1上表面的中心位置印制有周期
性排布的M×M个矩形微带辐射贴片4,M≥2,理论上当M≥2时,天线就能保证良好的辐射特
性,本发明实施例M=2;所述中层介质板2的上表面印制有编码超表面5,编码超表面5是通
过在最优编码序列矩阵中值为1的位置各布局一个超级子单元51所形成的;所述下层介质
板3的上表面印制有单输入四输出的微带馈电网络6,该微带馈电网络6通过贯穿中层介质
板2和上层介质板1的金属探针与4个矩形微带辐射贴片4连接,所述下层介质板3的下表面
印制有金属辐射地板7;所述上层介质板1与中层介质板2之间通过一层介电常数与空气相
同的泡沫层支撑,其厚度为2mm,上层介质板2与中层介质板3之间通过一层介电常数与空气
相同的塑料泡沫层支撑,其厚度为1mm。
微带辐射贴片4,其中心位于上层介质板1的中心法线上,正方形微带辐射贴片4的边长为wp
=21.5mm,相邻两个正方形微带辐射贴片之间的间隙为D=25.25mm。
超级子单元51和第二列超级子单元51分别位于距离中层介质板2上表面的另一相邻边缘两
个超级子单元51边长处,该两行超级子单元51和两列超级子单元51的长度相等且都为8个
超级子单元51的边长之和,每行超级子单元51和每列超级子单元51的重叠部分被蚀刻为缝
隙;所述超级子单元51包括K×K个周期性排布的基本单元511,K≥2,为了模拟周期性边界
条件,本发明实施例取K=3。
属贴片5111的贴片宽度为W=1mm,贴片长度为L=5.7mm,其中L=2.35mm,该十字型金属贴
片5111中心蚀刻的圆形缝隙的半径R1=1mm,所述圆环金属贴片5112的内半径为R2=
0.8mm,外半径为R3=1.2mm;所述四个圆环金属贴片5112关于十字型金属贴片5111的中心
旋转对称,且每个圆环金属贴片5112,其圆心位于其所在区域对应的角的角分线上,所述圆
环金属贴片5112的圆心与十字型金属贴片5111的距离为M+W/2=1.65mm,其中M=1.15mm。
AF表示超表面阵列的散射场F:
单元的周期,θi和 分别表示入射电磁波的仰角和方位角;从上式可以看出所述超表面阵
列可以分别在两个正交方向上被独立地编码,因此我们只需要对所述超表面阵列中首行或
首列进行算法优化得到一维编码序列矩阵即可,这极大地提高了优化效率并缩短了优化时
间;
其中Fitness的表达式为:
化,因此对二维编码序列矩阵M1与同规模的按0和1间隔排布的二维编码矩阵M2进行二进制
加法运算,获得本发明实施例的最优编码序列矩阵M3。
别与微带辐射贴片连接,该微带馈电网络将输入能量等分为四路相等的输出能量并通过金
属探针给微带辐射贴片馈电,同时通过在最优编码序列矩阵中值为1的位置各布局一个超
级子单元形成编码超表面,并将其替代微带天线阵列的金属辐射地板,通过理论计算,当在
微带阵列天线的工作频带内时,该编码超表面的相位响应与辐射金属地板一致,而当在微
带阵列天线的工作频带外,该编码超表面使入射电磁波发生漫反射现象,从而保证了天线
具有良好辐射性能的同时实现了显著的RCS减缩效果。
本发明实施例中加载和未加载基本单元区域的反射幅度曲线图,图6(b)为本发明实施例加
载和未加载基本单元区域的反射相位曲线图。
为实施例本发明天线的H面辐射方向图。
(a)为实施例本发明天线与相同尺寸的PEC在TE极化电磁波垂直照射下,随频率变化的单站
雷达截面的对比图;图9(b)为实施例本发明天线与相同尺寸的PEC在TM极化电磁波垂直照
射下,随频率变化的单站雷达截面的对比图。
到23GHz变化。结果如图10所示,其中:图10(a)为实施例本发明天线在TE极化电磁波倾斜照
射下,随频率变化的双站雷达截面减缩量曲线图;图10(b)为实施例本发明天线在TM极化电
磁波倾斜照射下,随频率变化的双站雷达截面减缩量曲线图。
明本发明实施例阵列天线在宽频带内实现了低雷达截面特性,与现有技术中的天线相比,
具有更好的宽带RCS减缩效果。
以保持良好的RCS减缩效果。
理和结构的情况下,进行形式上和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明思想的
修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。