一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线

摘要

本发明公开了一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，包括自上而下分布的上层介质板、中层介质板和下层介质板；中层介质板上表面印制有超表面结构，下层介质板上表面印制有金属地板，下表面印制有馈电结构。超表面结构由N×N个超表面模块构成；超表面模块由M×M个基本单元构成。金属地板蚀刻有S×S个缝隙天线阵；缝隙天线阵由T×T个条形缝隙构成，馈电结构由S×S个馈电子单元构成；馈电子单元由T×T个金属条带构成。超表面模块、缝隙天线阵和馈电子单元均按照沿中心顺时针旋转分布；馈电结构在预留的同轴线焊盘处进行同轴馈电。本发明实现了在不降低天线辐射性能的基础上实现了显著的散射抑制效果。

权利要求

1.一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，包括自上而下分布的上层介质板（1）、中层介质板（2）和下层介质板（3）；所述中层介质板（2）上表面印制有超表面结构（4），所述下层介质板（3）上表面印制有金属地板（5），下表面印制有馈电结构（6）；

所述超表面结构（4）由N×N个棋盘式排布的超表面模块（41）构成；所述超表面模块（41）由M×M个L型贴片、方形贴片和曲折条带构成的基本单元（411）构成，N≥2，M≥2；

所述基本单元（411）包括一组沿对角线对称分布的L型贴片（4111）、一组设于L型贴片（4111）中沿对角线对称分布的曲折条带（4112）和一组设于曲折条带（4112）之间的方形贴片（4113）；

所述金属地板（5）蚀刻有S×S个棋盘式排布的缝隙天线阵（51）；所述缝隙天线阵（51）由T×T个条形缝隙（511）构成，S≥2，T≥2；

所述馈电结构（6）由S×S个棋盘式排布的馈电子单元（61）构成；所述馈电子单元（61）由T×T个矩形短条带（6111）和矩形长条带（6112）构成的金属条带（611）构成；

所述矩形短条带（6111）和矩形长条带（6112）垂直分布，矩形短条带（6111）与条形缝隙（511）对应，同轴线焊盘（6113）设在矩形长条带（6112）下方；

超表面模块（41）、缝隙天线阵（51）和馈电子单元（61）均按照沿中心顺时针旋转分布；

馈电结构（6）在预留的同轴线焊盘（6113）处进行同轴馈电。

2.根据权利要求1所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，所述L型贴片（4111）的弯折内角上设有凸起。

3.根据权利要求1所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，所述曲折条带（4112）为框型结构，方形贴片（4113）的对角与曲折条带（4112）的框型端部对应。

4.根据权利要求1所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，所述T×T个条形缝隙（511）每个缝隙长度宽度相同。

5.根据权利要求1所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，所述上层介质板（1）与中层介质板（2）之间的距离小于中层介质板（2）与下层介质板（3）之间的距离。

6.根据权利要求1所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，所述三层介质板的厚度相同。

7.根据权利要求1‑6任一项所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，极化转换超表面在6.7‑27.4 GHz的宽频率范围内极化转换率PCR大于96%，所述低RCS高增益圆极化阵列天线在7.22‑30.81 GHz的宽频带内RCS减缩超过10dB，天线增益平均提高3.1dB。

说明书

一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线

技术领域

[0001] 本发明属于天线技术领域，涉及一种圆极化阵列天线，具体涉及一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线。

背景技术

[0002] 天线是各种无线电子设备不可或缺的外部设备，只有天线正常工作才能保证电子设备整体正常工作，所以天线必须在复杂的电磁环境中稳定有效的收发电磁波，而辐射特
性是衡量天线优劣的主要指标，对于低散射载体平台而言，往往还要求其上安装的天线具
有良好的散射特性，用来衡量目标雷达散射特性的物理量为雷达截面(RCS)。

[0003] 天线作为一类特殊的散射体，其散射包括两部分：一部分是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场，其是电磁波照射在天线上产生的感应电流二次辐射而引起的散
射场，其主要与天线的形态有关；另一部分则是随天线的负载情况变化而变化的天线模式
项散射场，其是由于天线的后端负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而引起的与
天线辐射性能相关的散射场。天线的低散射设计通常需要在天线的辐射和散射特性之间进
行折衷考量，以确保在保证天线性能不受严重影响的同时具有一定的散射抑制效果。

[0004] 圆极化波具有抗多径反射效应以及抑制雨雾的去极化效应的性能，使其在恶劣天气情况中仍可实现良好的电磁波传播特性，此外，在电子对抗中使用圆极化天线还可以干
扰和侦察敌方的各种线极化和椭圆极化方式的无线电波，在剧烈摆动或滚动的飞行器上装
置圆极化天线，可以在任何状态下都能收到信息,因而圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、
遥感、遥测和天文等领域有着广泛的应用前景。

[0005] 人工电磁材料的出现大大丰富了天线的设计方式，但是广义上的电磁超材料一般为三维形式，因其体积和重量等因素的限制难以满足要求空间紧凑的应用场景的需要。电
磁超表面是人工电磁材料的二维表征形式，通过精心设计其单元结构可以实现对电磁波幅
度、相位和极化等特性的灵活调控。随着对电磁超表面的不断深入研究，针对RCS减缩，提出
了如极化转换超表面(PCM)、频率选择超表面(FSS)和超材料吸波器(MMA)等多种超表面结
构，实现了显著的RCS减缩效果。但是，以上提及的相关技术在满足高性能RCS减缩效果的同
时常难以确保天线的辐射性能不受影响。2019年，Shangyi Sun等人在IEEE Antennas and 
Wireless Propagation Letters期刊上发表了一篇名为《Ultrawideband High‑
Efficiency 2.5‑Dimensional Polarization Conversion Metasurface and Its 
Application in RCS Reduction of Antenna》的论文，该论文将极化转换超表面加载在天
线中，仿真结果表明，其设计的天线可在维持天线辐射特性基本不变的情况下实现RCS的减
缩，但该PCM仅在4.41‑13.15GHz的频率范围内实现了极化转换率(PCR)大于96％，且其天线
增益仅提高了0.3dB。

发明内容

[0006] 为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线；采用多谐振结构，将多个有效频段进行组合，拓宽了
超表面的工作带宽并提高了极化转换率PCR，将该超表面与圆极化阵列天线集成，大幅度提
高了天线工作频带内的增益，同时实现了在宽频带内的RCS减缩。

[0007] 本发明是通过下述技术方案来实现的。

[0008] 一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，包括自上而下分布的上层介质板、中层介质板和下层介质板；中层介质板上表面印制有超表面结构，下层介质板
上表面印制有金属地板，下表面印制有馈电结构，实现了圆极化阵列天线和极化转换超表
面的集成。

[0009] 超表面结构由N×N个棋盘式排布的超表面模块构成；超表面模块由M×M个L型贴片、方形贴片和曲折条带构成的基本单元构成，N≥2，M≥2。

[0010] 金属地板蚀刻有S×S个棋盘式排布的缝隙天线阵；缝隙天线阵由T×T个条形缝隙构成，馈电结构由S×S个棋盘式排布的馈电子单元构成；馈电子单元由T×T个矩形短条带
和矩形长条带构成的金属条带构成，S≥2，T≥2。

[0011] 采用超表面模块按照沿中心顺时针旋转分布，利用相邻超表面模块之间的反相特性可以将散射能量导向至非威胁角域方向，实现了有效的RCS减缩；采用按照沿中心顺时针
旋转分布的缝隙天线阵和馈电子单元结构，实现了阵列天线的圆极化辐射。

[0012] 馈电结构在预留的同轴线焊盘处进行同轴馈电。

[0013] 进一步，基本单元包括一组沿对角线对称分布的L型贴片、一组设于L型贴片中沿对角线对称分布的曲折条带和一组设于曲折条带之间的方形贴片，通过多谐振结构，将多
个有效频段进行组合，实现超表面的工作带宽的拓展并提高了极化转换率PCR。

[0014] 进一步，L型贴片的弯折内角上设有凸起，通过微扰L型贴片上的感应电流，改善基本单元的频率响应特性，提高极化转换率PCR。

[0015] 进一步，采用曲折条带为框型结构，能够在中频带和高频带内激励起多个谐振点，从而超表面可将中频带和高频带入射波下的散射能量导向至非威胁角域方向，实现宽带
RCS减缩性能。采用方形贴片的对角与曲折条带的框型端部对应，方形贴片能够与曲折条带
产生耦合效应，改善频带内的频率响应效果，提升极化转换率PCR。

[0016] 进一步，采用长度宽度相同的T×T个条形缝隙，在同轴正常馈电时，每个缝隙结构均能截断感应电流且工作在同一频带，实现阵列天线的有效辐射。

[0017] 进一步，矩形短条带和矩形长条带垂直分布，矩形短条带与条形缝隙对应，同轴线焊盘设在矩形长条带下方。垂直分布的与条形缝隙对应矩形短条带和矩形长条带结构作为
天线的馈电结构，能够将通过设在矩形长条带下方的同轴线焊盘馈入的能量有效耦合至缝
隙天线中，实现阵列天线的有效辐射。

[0018] 进一步，上层介质板与中层介质板之间的距离小于中层介质板与下层介质板之间的距离。

[0019] 进一步，三层介质板的厚度相同。

[0020] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

[0021] 本发明克服现有技术存在的不足，提出了一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，首先通过顺序旋转馈电技术设计了一款圆极化阵列天线，该天线在工
作频带内具有很宽的轴比带宽；之后设计了一种极化转换超表面，通过采用多谐振结构，将
多个有效频段进行组合，实现了在6.7‑27.4GHz的宽频率范围内极化转换率(PCR)大于96％
的转换效果，将该超表面进行棋盘式排布并加载于天线中，实现了在7.22‑30.81GHz的宽频
带内超过10dB的RCS减缩，且由于该PCM与天线存在耦合效应而将天线增益在工作频带内平
均提高了3.1dB，实现了在不降低天线辐射性能的基础上具有显著的散射抑制效果。该低散
射圆极化阵列天线可用于低散射平台的通信、雷达、电子对抗及遥感等场景。

附图说明

[0022] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

[0023] 图1是本发明实施例的整体结构示意图；

[0024] 图2是本发明实施例的整体结构侧视图；

[0025] 图3是本发明实施例棋盘式排布极化转换超表面结构图；

[0026] 图4是本发明实施例超表面基本单元结构图；

[0027] 图5是本发明实施例顺序旋转缝隙天线结构图；

[0028] 图6是本发明实施例顺序旋转馈电结构图；

[0029] 图7是本发明实施例极化转换超表面的极化转换率(PCR)仿真结果图；

[0030] 图8(a)是加载本实施例超表面的天线(设计天线)和未加载本实施例超表面的天线(参考天线)的轴比对比图；图8(b)是参考天线和设计天线的增益对比图；

[0031] 图9(a)、(b)是参考天线和设计天线雷达截面(RCS)对比图，其中，图9(a)是x极化入射波入射情况，图9(b)是y极化入射波入射情况。

[0032] 图中：1、上层介质板；2、中层介质板；3、下层介质板；4、超表面结构；5、金属地板；6、馈电结构；

[0033] 41、超表面模块；411、基本单元；4111、L型贴片；4112、曲折条带；4113、方形贴片；51、缝隙天线阵；511、条形缝隙；61、馈电子单元；611、金属条带；6111、矩形短条带；6112、矩
形长条带；6113、同轴线焊盘。

具体实施方式

[0034] 下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

[0035] 参照图1，本实施例基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，包括自上而下互不接触的上层介质板1、中层介质板2和下层介质板3；中层介质板2上表面印制有
超表面结构4；下层介质板3上表面印制有金属地板5，下表面印制有馈电结构6；形成一个
100mm×100mm×6.5mm的整体。

[0036] 参照图2，上层介质板1与中层介质板2之间的距离小于中层介质板2与下层介质板3之间的距离。本实施例中，上层介质板与中层介质板之间的距离G1为1.3mm‑1.7mm，中层介
质板与下层介质板之间的距离G2为1.8mm‑2.2mm，三层介质板的厚度H相同，H为0.8mm‑
1.2mm，通过在预留的同轴线焊盘处进行同轴馈电，同轴线探针与金属地板相接，本实施例
采用但不限于G1＝1.5mm，G2＝2mm，H＝1mm。

[0037] 参照图3，超表面结构4由2×2个棋盘式排布的超表面模块41构成；超表面模块41由5×5个基本单元411构成。相邻的超表面模块41之间按照沿中心顺时针旋转分布，图中
“0”与“1”分别表示相邻的两个不同的超表面模块41基本单元结构，“0”基本单元结构顺时
针旋转90°后，为“1”超表面模块41基本单元结构。

[0038] 参照图4，基本单元411包括一组沿对角线对称分布的L型贴片4111、一组沿对角线对称分布的曲折条带4112和一组方形贴片4113，L型贴片4111的弯折内角上设有凸起，曲折
条带4112为框型结构，方形贴片4113的对角与曲折条带4112的框型端部对应。在本实施例
中，基本单元周期间距P为8mm‑12mm，L型贴片两臂对称，长度L1为6.05mm‑6.45mm，W1为
0.4mm‑0.6mm，弯角处向内凸起一方形片，宽度W4为0.3mm‑0.5mm；曲折条带宽度W2为0.5mm‑
0.7mm，直线段长度L2为4.5mm‑4.7mm，曲折段长度L3为1.6mm‑2mm，方形贴片边长W3为
0.55mm‑0.65mm。本实施例采用但不限于P＝10mm，L1＝6.25mm，W1＝0.5mm，W4＝0.4mm，L2＝
4.6mm，W2＝0.6mm，L3＝1.8mm，W3＝0.6mm。

[0039] 参照图5，金属地板5蚀刻有2×2个缝隙天线阵51构成棋盘式排布，缝隙天线阵由2×2个条形缝隙511构成，条形缝隙511每个缝隙长度宽度相同。同样，相邻的缝隙天线阵51
结构之间按照沿中心顺时针旋转分布，图中“0”与“1”分别表示相邻的两个不同的缝隙天线
阵51基本单元结构，“0”基本单元结构顺时针旋转90°后，为“1”缝隙天线阵51基本单元结
构。

[0040] 在本实施例中，条形缝隙长度Ls为15.5mm‑17.5mm，宽度Ws为2.1mm‑2.3mm，单元间距P_ant为24mm‑26mm，本实施例采用但不限于Ls＝16.5mm，Ws＝2.2mm，P_ant＝25mm。

[0041] 参照图6，馈电结构6由2×2个馈电子单元顺序旋转构成；馈电子单元61由2×2个金属条带构成；金属条带由矩形短条带6111和矩形长条带6112构成，矩形短条带6111和矩
形长条带6112垂直分布，矩形短条带6111与条形缝隙511对应，同轴线焊盘6113设在矩形长
条带6112下方。在预留的同轴线焊盘6113处进行同轴馈电，同轴线探针与金属地板相接。同
样，相邻的两个不同的馈电子单元61基本单元结构相互之间顺时针旋转90°分布。

[0042] 在本实施例中，矩形短条带长度Lf_1为3.8mm‑4.0mm，宽度Wf_1为2.5mm‑2.6mm，矩形长条带长度Lf_2为8.8mm‑9mm，宽度Wf_2为1.2mm‑1.3mm，同轴线焊盘的半径R为1.8mm‑
2.2mm。本实施例采用但不限于Lf_1＝3.9mm，Wf_1＝2.55mm，Lf_2＝8.9mm，Wf_2＝1.27mm，R
＝2mm。

[0043] 本实施例的工作原理如下：

[0044] 本实施例一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，通过顺序旋转馈电技术设计了一款圆极化阵列天线，具备高极化转换效率的宽带超表面单元，并将其
进行棋盘化阵列构建PCM并加载于所述圆极化阵列天线中，利用其与天线之间的耦合效应
提升了天线的辐射增益；同时将该PCM通过在超表面模块之间引入180±37°的相位差，可实
现反射波的干涉相消，使散射波束重定向至非威胁角域方向，实现有效的宽带RCS减缩效
果。

[0045] 以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

[0046] 1.仿真软件：全波仿真软件HFSS_15.0。

[0047] 2.仿真内容与结果：

[0048] 仿真1，对本实施例极化转换超表面(PCM)的极化转换率(PCR)进行仿真，结果如图7所示。

[0049] 从图7可见，本实施例极化转换超表面在频率6.7GHz‑27.4GHz的宽频率范围内极化转换率(PCR)大于96％，表明本实施例所述PCM在宽频带范围内具有高效的极化转换能
力，其宽带和高效特性是通过采用多谐振结构，将多个有效频段进行组合而获得。

[0050] 仿真2，对本实施例加载所述超表面的天线(设计天线)和未加载所述超表面的天线(参考天线)的轴比和增益进行仿真，结果如图8(a)、(b)所示。其中，图8(a)是轴比特性仿
真图；图8(b)是辐射增益仿真图。

[0051] 从图8(a)可见，本实施例设计天线与参考天线在工作频带内均有很宽的轴比特性(轴比<3dB)，这主要是采用顺序旋转馈电技术而实现；从图8(b)可见，本实施例设计天线的
辐射增益比参考天线的辐射增益在5.41GHz‑6.49GHz的工作频带内平均提高3.1dB，这得益
于将所述PCM加载于参考天线时，由于该PCM与天线存在耦合效应而提升天线的辐射增益。

[0052] 仿真3，对本实施例加载超表面的天线(设计天线)和未加载超表面的天线(参考天线)的RCS进行仿真，并计算RCS减缩量，结果如图9(a)、(b)所示，其中，图9(a)是x极化入射
波照射情况，图9(b)是y极化入射波照射情况。

[0053] 从图9(a)、(b)可见，本实施例设计天线在两种极化的入射波照射下均有明显的RCS减缩效果，在7.22‑30.81GHz的频带内有超过10dB的RCS减缩效果，这得益于对PCM进行
的棋盘式排布，通过在相邻单元之间引入180±37°的相位差，可实现反射波的干涉相消，使
散射波束重定向至非入射波方向，实现有效的宽带RCS减缩效果。

[0054] 本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一
些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。