一种基于有耗电磁超表面的低RCS阵列天线

一种基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线
技术领域
1.本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线。

背景技术：

2.随着军事电子技术不断发展，相控阵天线需要同时具备低rcs特性与高效辐射特性。一般而言通过共形技术与吸波材料等技术手段可以得到具有低rcs特性的阵列天线。然而共形技术手段不适用带内隐身设计，而将吸波材料涂敷在阵面附近会降低阵列的辐射效率。
3.现有技术“an ultra-wideband tightly coupled dipole array co-designed with lowscattering characteristics”公开了一种超宽带紧耦合阵列，可在负载匹配的情况下吸收宽带的电磁波，然而对于工作频带较窄的阵列，宽带范围内匹配会使得接收噪声增加。现有技术“microstrip phased-array in-band rcs reduction with a random element rotation technique”公开了一种阵列天线，利用随机单元旋转的方式使阵列的带内rcs降低，然而实现的低rcs 带宽较窄且较适用于圆极化天线。现有技术“rcs reduction of ridged waveguide slot antennaarray using ebg radar absorbing material”公开了一种阵列天线，利用带集总电阻元件的电磁带隙结构放在天线阵列上方实现rcs降低，带电阻的电磁带隙结构吸收了部分辐射能量，其法向辐射增益插损大于0.9db。
4.如何在口径基本不增加的情况下，得到辐射性能良好并且具有宽带低rcs特性的阵列无疑是对天线设计者的巨大挑战，尤其是辐射频段被低rcs频段覆盖的阵列天线具有很大的应用与研究价值。

技术实现要素：

5.本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线。
6.本发明所提出的技术问题是这样解决的：
7.一种基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，包括辐射阵列、各向异性有耗电磁超表面和馈电结构；
8.辐射阵列由呈m
×
n紧密排布的微带矩形贴片辐射单元组成，周期小于等于工作中心频率对应的半个波长，m和n为正整数；微带矩形贴片辐射单元为线极化天线，包括矩形贴片 3、第一方形介质基板2和金属地板1；矩形贴片3位于第一方形介质基板2的上表面的中心位置，且矩形贴片3的与第一方形介质基板2的边平行；金属地板1满覆第一方形介质基板 2的下表面；
9.馈电结构采用50ω同轴馈电，位于第一方形介质基板2的底部，包括外导体、介质层和内导体；外导体与金属地板1连接，内导体穿过第一方形介质基板2与矩形贴片3连接；
10.各向异性有耗电磁超表面位于辐射阵列的上方，且留有间距；各向异性有耗电磁超表面由呈2m
×
2n紧密排布的超表面单元组成，周期为辐射阵列周期的一半。
11.进一步的，各向异性有耗电磁超表面与辐射阵列之间的间距为1/6波长。
12.进一步的，超表面单元为180
°
中心旋转对称结构，包括上超表面结构6、第二方形介质基板5和下超表面结构4；上超表面结构6位于第二方形介质基板的上表面，下超表面结构4 位于第二方形介质基板的下表面。
13.进一步的，上超表面结构6包括两个第一横向枝节601、两个第二横向枝节602、两个矩形金属环603、两个第一纵向枝节604、两个第二纵向枝节605、两个第三纵向枝节606和两个第一电阻607；第一电阻607沿横向放置；第一横向枝节601与第二方形介质基板5的边平行，中心位置的内侧连接有第一电阻607；第一电阻607的另一端依次通过第一纵向枝节 604和第二纵向枝节605连接至矩形金属环603，连接点位于矩形金属环603长边的中心位置；矩形金属环603另一长边的中心位置通过第三纵向枝节606与第二横向枝节602的中心位置连接，第二横向枝节602与矩形金属环603的长边平行。
14.进一步的，下超表面结构4包括两个第四纵向枝节401、两个第三横向枝节402、两个第四横向枝节403、方形金属环404、两个第五纵向枝节405和两个第二电阻406；第二电阻406 沿纵向放置；第四纵向枝节401与第二方形介质基板5的边平行，中心位置的内侧连接有第二电阻406；第二电阻406的另一端依次通过第三横向枝节402和第四横向枝节403连接至方形金属环404，连接点位于方形金属环404边的中心位置；方形金属环404另外两个边的中心位置分别向内延伸有两个第五纵向枝节405。
15.进一步的，上超表面结构6的两个第三纵向枝节606分别与下超表面结构4的两个第五纵向枝节405末端通过金属通孔连接。
16.进一步的，各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线电场方向相同的方向上，超表面单元的等效电路为串联rlc电路串接并联lc电路；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线电场方向正交的方向上，超表面单元的等效电路为串联rlc电路，且并联lc电路的谐振点在天线工作频带的中心频点。
17.进一步的，各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向相同的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带外的入射电磁波吸收，工作频带附近的电磁波由辐射阵列吸收，实现带内低rcs；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向正交的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带附近的入射电磁波吸收，实现宽带低rcs。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明所述的基于有耗电磁超表面低rcs阵列天线中二维微带矩形天线与有耗电磁超表面均采用pcb工艺，加工简单且辐射性能稳定；
20.本发明所述的阵列天线增益受到有耗电磁超表面的影响较小，辐射增益插损较低；
21.本发明所述的基于有耗电磁超表面低rcs阵列天线在带内宽带范围内，可以实现不同极化方式的rcs抑制；
22.本发明所述的基于有耗电磁超表面低rcs阵列天线在电磁波入射角度较小范围内都具有低rcs特性；
23.本发明所述的基于有耗电磁超表面低rcs阵列天线是将入射电磁波吸收并且转化为热能，因此其具有双站低rcs特性。
附图说明
24.图1为本发明所述低rcs阵列天线的侧视图；
25.图2为本发明所述阵列天线中辐射单元的结构示意图；
26.图3为本发明所述阵列天线中各向异性有耗电磁超表面的结构示意图，其中(a)上超表面结构，(b)下超表面结构；
27.图4为本发明所述阵列天线中有耗电磁超表面单元在不同方向上的等效电路，其中(a) 各向异性有耗电磁超表面在阵列天线电场方向的相同方向，(b)各向异性有耗电磁超表面与阵列天线电场方向的正交方向；
28.图5为不加载/加载有耗电磁超表面的辐射阵列的反射系数对比示意图；
29.图6(a)和图6(b)分别为当平面波入射到各向异性有耗电磁超表面时，反射与透射系数的幅度与相位曲线图；
30.图7(a)为te波在h面以不同角度入射到加载有耗电磁超表面后的阵列的反射系数曲线图，图7(b)为tm波在e面以不同角度入射到加载有耗电磁超表面后的阵列的反射系数曲线图；
31.图8为不加载/加载有耗电磁超表面后的天线单元在周期边界条件下的辐射方向图；
32.图9(a)为te波在e面以不同角度的电磁波入射到加载电磁超表面后的阵列反射系数曲线图，图9(b)为tm波在h面以不同角度的电磁波入射到加载电磁超表面后的阵列反射系数曲线图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
34.本实施例提供一种基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其侧视图如图1所示，包括辐射阵列、各向异性有耗电磁超表面和馈电结构；
35.辐射阵列由呈m
×
n紧密排布的微带矩形贴片辐射单元组成，周期(相邻辐射单元之间的间距)小于等于工作中心频率对应的半个波长，m和n为正整数；微带矩形贴片辐射单元为线极化天线，辐射单元的结构示意图如图2所示，包括矩形贴片3、第一方形介质基板2 和金属地板1；矩形贴片3位于第一方形介质基板2的上表面的中心位置，且矩形贴片3的与第一方形介质基板2的边平行；金属地板1满覆第一方形介质基板2的下表面。
36.馈电结构采用50ω同轴馈电，位于第一方形介质基板2的底部，包括外导体、介质层和内导体；外导体与金属地板1连接，内导体穿过第一方形介质基板2与矩形贴片3连接。
37.各向异性有耗电磁超表面位于辐射阵列的上方，且留有间距，间距为1/6波长；各向异性有耗电磁超表面由呈2m
×
2n紧密排布的超表面单元组成，周期为辐射阵列周期的一半。
38.超表面单元为180
°
中心旋转对称结构，包括上超表面结构6、第二方形介质基板5和下超表面结构4；上超表面结构6位于第二方形介质基板的上表面，下超表面结构4位于第
二方形介质基板的下表面。
39.上超表面结构6的结构示意图如图3(a)所示，包括两个第一横向枝节601、两个第二横向枝节602、两个矩形金属环603、两个第一纵向枝节604、两个第二纵向枝节605、两个第三纵向枝节606和两个第一电阻607；第一电阻607沿横向放置；第一横向枝节601与第二方形介质基板5的边平行，中心位置的内侧连接有第一电阻607；第一电阻607的另一端依次通过第一纵向枝节604和第二纵向枝节605连接至矩形金属环603，连接点位于矩形金属环603长边的中心位置；矩形金属环603另一长边的中心位置通过第三纵向枝节606与第二横向枝节602的中心位置连接，第二横向枝节602与矩形金属环603的长边平行。
40.下超表面结构4的结构示意图如图3(b)所示，包括两个第四纵向枝节401、两个第三横向枝节402、两个第四横向枝节403、方形金属环404、两个第五纵向枝节405和两个第二电阻406；第二电阻406沿纵向放置；第四纵向枝节401与第二方形介质基板5的边平行，中心位置的内侧连接有第二电阻406；第二电阻406的另一端依次通过第三横向枝节402和第四横向枝节403连接至方形金属环404，连接点位于方形金属环404边的中心位置；方形金属环404另外两个边的中心位置分别向内延伸有两个第五纵向枝节405。
41.上超表面结构6的两个第三纵向枝节606分别与下超表面结构4的两个第五纵向枝节405 末端通过金属通孔连接。
42.各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线电场方向相同的方向上，超表面单元的等效电路为串联rlc电路串接并联lc电路，如图4(a)所示；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线电场方向正交的方向上，超表面单元的等效电路为串联rlc电路，如图4(b)所示，且并联lc电路的谐振点在天线工作频带的中心频点。利用周期边界条件，考虑不同电场方向的电磁波入射到超表面后，其反射与透射系数可以计算出超表面的等效表面阻抗。
43.平面电磁波入射到带有超表面的阵面后，其反射系数可以由下式计算：
[0044][0045]
其中，za为阵列天线与超表面的等效电路，z0为真空波阻抗，r为反射系数。根据上式可以计算出带有有耗电磁超表面的阵列天线反射系数。
[0046]
各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向相同的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带外的入射电磁波吸收，工作频带附近的电磁波由辐射阵列吸收，实现带内低rcs；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向正交的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带附近的入射电磁波吸收，实现宽带低rcs。
[0047]
超表面沿阵列极化方向与正交方向轴对称，保证了有耗电磁超表面在不同方向上的电性能相互之间较小干涉，方便采用等效电路法独立分析设计不同电场方向入射时反射系数。
[0048]
阵面与超表面之间的间隔d0约为1/6个波长，由于比1/6波长小的间隔会使各向异性有耗电磁超表面模型采用等效电路法分析不准确，而大于1/6个波长的间隔会使得整个剖面增高。
[0049]
不加载/加载有耗电磁超表面的辐射阵列的反射系数对比示意图如图5所示，可以看出，各向异性有耗电磁超表面对天线反射系数影响较小。通过馈电结构为阵列天线馈电，
阵列驻波在工作频带范围内小于2。馈电端口在带外既可以是匹配也可以是短路状态，或者其他某种固定中间状态，本实例取匹配状态。
[0050]
图6(a)和图6(b)分别为当平面波入射到各向异性有耗电磁超表面时，反射与透射系数的幅度与相位曲线图。可以看出，透射系数s21在天线工作频带附近较大，天线辐射插损较小，各向异性有耗电磁超表面对天线辐射性能影响小。
[0051]
图7(a)为te波在h面以不同角度入射到加载有耗电磁超表面后的阵列的反射系数曲线图，图7(b)为tm波在e面以不同角度入射到加载有耗电磁超表面后的阵列的反射系数曲线图。可以看出不同极化和方向入射到加载有耗超表面的阵列的电磁波被有效吸收。此时入射电场方向和天线辐射电场方向平行。
[0052]
图8为不加载/加载有耗电磁超表面后的天线单元在周期边界条件下的辐射方向图，法向增益插损为0.5db，可以看出加载有耗电磁超表面后的天线单元辐射性能受到的影响较小。
[0053]
图9(a)为te波在e面以不同角度的电磁波入射到加载电磁超表面后的阵列反射系数曲线图，图9(b)为tm波在h面以不同角度的电磁波入射到加载电磁超表面后的阵列反射系数曲线图。可以看出不同极化和方向入射到加载有耗电磁超表面的阵列的电磁波被有效吸收。此时入射电磁方向和天线辐射电场方向正交。
[0054]
以上所述，仅为本适用新型较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本适用新型的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，包括辐射阵列、各向异性有耗电磁超表面和馈电结构；辐射阵列由呈m
×
n紧密排布的微带矩形贴片辐射单元组成，周期小于等于工作中心频率对应的半个波长，m和n为正整数；微带矩形贴片辐射单元为线极化天线，包括矩形贴片(3)、第一方形介质基板(2)和金属地板(1)；矩形贴片(3)位于第一方形介质基板(2)的上表面的中心位置，且矩形贴片(3)的与第一方形介质基板(2)的边平行；金属地板(1)满覆第一方形介质基板(2)的下表面；馈电结构采用50ω同轴馈电，位于第一方形介质基板(2)的底部，包括外导体、介质层和内导体；外导体与金属地板(1)连接，内导体穿过第一方形介质基板(2)与矩形贴片(3)连接；各向异性有耗电磁超表面位于辐射阵列的上方，且留有间距；各向异性有耗电磁超表面由呈2m
×
2n紧密排布的超表面单元组成，周期为辐射阵列周期的一半。2.根据权利要求1所述的基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，各向异性有耗电磁超表面与辐射阵列之间的间距为1/6波长。3.根据权利要求1所述的基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，超表面单元为180
°
中心旋转对称结构，包括上超表面结构(6)、第二方形介质基板(5)和下超表面结构(4)；上超表面结构(6)位于第二方形介质基板的上表面，下超表面结构(4)位于第二方形介质基板的下表面。4.根据权利要求3所述的基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，上超表面结构(6)包括两个第一横向枝节(601)、两个第二横向枝节(602)、两个矩形金属环(603)、两个第一纵向枝节(604)、两个第二纵向枝节(605)、两个第三纵向枝节(606)和两个第一电阻(607)；第一电阻(607)沿横向放置；第一横向枝节(601)与第二方形介质基板(5)的边平行，中心位置的内侧连接有第一电阻(607)；第一电阻(607)的另一端依次通过第一纵向枝节(604)和第二纵向枝节(605)连接至矩形金属环(603)，连接点位于矩形金属环(603)长边的中心位置；矩形金属环(603)另一长边的中心位置通过第三纵向枝节(606)与第二横向枝节(602)的中心位置连接，第二横向枝节(602)与矩形金属环(603)的长边平行。5.根据权利要求4所述的基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，下超表面结构(4)包括两个第四纵向枝节(401)、两个第三横向枝节(402)、两个第四横向枝节(403)、方形金属环(404)、两个第五纵向枝节(405)和两个第二电阻(406)；第二电阻(406)沿纵向放置；第四纵向枝节(401)与第二方形介质基板(5)的边平行，中心位置的内侧连接有第二电阻(406)；第二电阻(406)的另一端依次通过第三横向枝节(402)和第四横向枝节(403)连接至方形金属环(404)，连接点位于方形金属环(404)边的中心位置；方形金属环(404)另外两个边的中心位置分别向内延伸有两个第五纵向枝节(405)。6.根据权利要求5所述的基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，上超表面结构(6)的两个第三纵向枝节(606)分别与下超表面结构(4)的两个第五纵向枝节(405)末端通过金属通孔连接。7.根据权利要求6所述的基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线电场方向相同的方向上，超表面单元的等效电路为串联rlc电路串接并联lc电路；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线电场方向正交的方向上，
超表面单元的等效电路为串联rlc电路，且并联lc电路的谐振点在天线工作频带的中心频点。8.根据权利要求7所述的基于有耗电磁超表面的低rcs阵列天线，其特征在于，各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向相同的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带外的入射电磁波吸收，工作频带附近的电磁波由辐射阵列吸收，实现带内低rcs；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向正交的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带附近的入射电磁波吸收，实现宽带低rcs。

技术总结

本发明公开了一种基于有耗电磁超表面的低RCS阵列天线，本发明属于微波天线技术领域。本发明所述低RCS阵列天线包括辐射阵列、各向异性有耗电磁超表面和馈电结构；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向相同的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带外的入射电磁波吸收，工作频带附近的电磁波由辐射阵列吸收，实现带内低RCS；各向异性有耗电磁超表面在与阵列天线极化方向正交的方向上，当平面电磁波入射到辐射阵列时，通过有耗电磁超表面将工作频带附近的入射电磁波吸收，实现宽带低RCS。实现宽带低RCS。实现宽带低RCS。