一种超表面的低RCS圆极化缝隙阵列天线

一种超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线。


背景技术：

2.随着军用电子技术的发展，对降低雷达散射截面缩减(radar cross section，rcs)引起了广泛的研究兴趣，目前提出了许多用于低剖面天线的rcs降低的方法，一种常见的方法是对天线表面进行整形使电磁能量偏离特定方向和加载雷达吸波材料将入射电磁波能量转换为热能。用于天线rcs控制的另一种方法为通过在天线地板或者辐射单元上加载电磁超材料结构，改变天线的散射特性。通过加载电磁超材料可实现对电磁波相位、极化及传播模式等特性的自由调控，实现天线的低rcs散射。
3.电磁超表面结构是一种典型的二维人工电磁材料，它是由尺寸远小于工作波长的超表面单元通过周期排列而形成的一种具有特殊电磁特性的平面结构。例如grady等人证明了用于线极化转换的超材料适用于太赫兹应用；针对带内rcs减缩的难题，以及较宽频带的rcs减缩，目前依然是研究热点。同时，民用和军用设备一直在对天线的辐射性能提出更高的要求，如何在有效降低天线rcs的同时，保证天线正常辐射，甚至进一步提高天线的带宽、增益等辐射特性，是当下面临的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，采用多谐振结构将多个有效频段进行结合，拓宽了超表面的工作频段并提高了极化转换率(polarization conversion rate,pcr)，将所设计的极化转换超表面作为覆层加载到圆极化缝隙阵列天线通过顺序旋转馈电网络保证天线辐射性能的同时实现宽频段10db以上的rcs缩减。
5.本发明提供了一种超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，具体技术方案如下：
6.天线包括上层介质板和下层介质板；
7.所述上层介质板上表面印刷有极化转换超表面，所述下层介质板上表面印制有金属地板，所述下层介质板的下表面印刷有馈电结构；
8.所述极化转换超表面由无源谐振的极化转换单元按n
×
n的棋盘式周期排布组成；
9.所述金属地板蚀刻有棋盘式排布的缝隙阵列天线；
10.其中，n≥6。
11.采用极化转换超表面沿中心顺时针旋转分布，利用相邻超表面之间的反相特性可以将散射能量反射到非威胁角域方向，实现了有效的rcs缩减。
12.进一步的，所述缝隙阵列天线由m
×
m个条形缝隙构成，且相邻的缝隙天线之间按照沿中心顺时针旋转分布；
13.其中，m≥2。
14.采用按照沿中心顺时针旋转分布的缝隙天线，实现阵列天线的圆极化辐射。
15.进一步的，所述条形缝隙长度和宽度相同。
16.进一步的，以矩形微带线作为天线的所述馈电结构，所述矩形微带线与所述条形缝隙相互垂直。
17.所述矩形微带线作为天线的馈电结构，能够将通过设在微带线下方的同轴线馈入的能量有效耦合缝隙阵列天线中，实现天线的有效辐射。
18.同轴线为天线馈电时的激励源，即所述馈电结构的末端。
19.进一步的，所述极化转换超表面由一个置于中间的第一圆形切角方形贴片、两个沿对角线对称分布的第二圆形切角方形贴片、两个位于顶点的方形贴片和条带式贴片组成；
20.所述第一圆形切角方形贴片和所述第二圆形切角方形贴片的方形顶点由内向外首尾一体相接，两个所述条带式贴片沿对角线放置，一端置于所述第一圆形切角方形贴片的重叠处，另一端各连接一个所述方形贴片。
21.通过多谐振结构，将多个有效频段进行组合，实现超表面的工作频段的拓展和提高了极化转换率pcr。
22.进一步的，所述第一圆形切角方形贴片的边长为2.54mm，切角半径为1mm；
23.所述第二圆形切角方形贴片的长度为0.94mm，切角半径为0.62mm。
24.进一步的，所述方形贴片边长为0.66mm。
25.进一步的，所述条带式贴片的宽度为0.1mm，长度为1.8mm。
26.进一步的，所述上层介质板为介电常数为2.2的矩形板材，所述上层介质板上开有19.3mm
×
2.6mm
×
2.5mm缝隙。
27.进一步的，所述下层介质板为介电常数为2.65的板材。
28.本发明的有益效果如下：
29.1、本发明中的极化转换超表面单元，采用条带式贴片和多圆形切角方形贴片一体化设计结构，实现宽频段内的极化转换效果。
30.2、本发明通过将极化转换超表面按照棋盘式周期排布作为阵列天线覆层，其阵列天线会产生交叉极化幅度相等和反射相位差180
°
的两个反射电磁波，这将导致轴向方向上入射电磁波的能量散射到自由空间的四个对角处，实现天线宽频段的雷达散射截面缩减效果。
附图说明
31.图1是本发明的天线整体结构示意图；
32.图2是本发明的极化转换单元结构示意图；
33.图3是本发明的极化转换超表面的极化转换率(pcr)仿真结果示意图；
34.图4是本发明的加载极化转换超表面的缝隙阵列天线的反射系数幅度对比示意图；
35.图5是本发明的未加载极化转换超表面的缝隙阵列天线的轴比对比示意图；
36.图6是本发明缝隙阵列天线和参考天线在11.3ghz时天线辐射方向的xoz面对比示意图；
37.图7是本发明缝隙阵列天线和参考天线在11.3ghz时天线辐射方向的yoz面对比示
意图；
38.图8是本发明的缝隙阵列天线和参考天线在不同极化电磁波垂直入射下天线的单站rcs仿真结果示意图。
39.附图标记说明：1-上层介质板、2-极化转换超表面、3-金属地板、4-下层介质板、5-馈电网络、21-第一圆形切角方形贴片、22-第二圆形切角方形贴片、23-方形贴片、24-条带式贴片。
具体实施方式
40.在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
41.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.实施例1
44.本发明的实施例1公开了一种超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，如图1所示，具体结构如下：
45.包括上层介质板1和下层介质板4；
46.所述上层介质板1上表面印刷有极化转换超表面2，所述下层介质板4上表面印制有金属地板3，所述下层介质板4的下表面印刷有馈电结构；
47.本实施例中，所述上层介质板1为介电常数为2.2的矩形板材，所述上层介质板1上开有19.3mm
×
2.6mm
×
2.5mm缝隙；
48.本实施例中，所述下层介质板4为介电常数为2.65的板材。
49.所述极化转换超表面2由无源谐振的极化转换单元按n
×
n的棋盘式周期排布组成；
50.其中，n≥6，m≥2。
51.采用极化转换超表面2沿中心顺时针旋转分布，利用相邻超表面之间的反相特性可以将散射能量反射到非威胁角域方向，实现了有效的rcs缩减。
52.如图2所示，本实施例中，所述极化转换超表面2由一个置于中间的第一圆形切角方形贴片21、两个沿对角线对称分布的第二圆形切角方形贴片22、两个位于顶点的方形贴片23和条带式贴片24组成；
53.所述第一圆形切角方形贴片21和所述第二圆形切角方形贴片22的方形顶点由内向外首尾一体相接，两个所述条带式贴片24沿对角线放置，一端置于所述第一圆形切角方形贴片21的重叠处，另一端各连接一个所述方形贴片23。
54.重叠处指第一圆形切角方形贴片21和第二圆形切角方形贴片22的交点处。
55.通过多谐振结构，将多个有效频段进行组合，实现超表面的工作频段的拓展和提高了极化转换率pcr。
56.具体的，所述第一圆形切角方形贴片21的边长为2.54mm，切角半径为1mm；
57.所述第二圆形切角方形贴片22的长度为0.94mm，切角半径为0.62mm。
58.所述方形贴片23边长为0.66mm。
59.所述条带式贴片24的宽度为0.1mm，长度为1.8mm。
60.所述金属地板3蚀刻由m
×
m个棋盘式排布的缝隙阵列天线构成；
61.具体的，在本实施例中，所述金属地板3上蚀刻有由2
×
2个条形缝隙构成的缝隙阵列天线，构成棋盘式排布，且相邻的缝隙天线之间按照沿中心顺时针旋转分布。
62.采用按照沿中心顺时针旋转分布的缝隙天线，实现阵列天线的圆极化辐射。
63.本实施例中，所述条形缝隙长度和宽度相同，矩形微带线与条形缝隙相互垂直；
64.将所述矩形微带线作为天线的馈电结构，能够将通过设在微带线下方的同轴线馈入的能量有效耦合缝隙阵列天线中，实现天线的有效辐射。
65.基于上述天线结构，仿真结果如下；如图3所示，为极化转换超表面2(pcm)的极化转换率(pcr)进行仿真结果，可以看出本实施例中极化转换超表面2在9.8ghz-30.4ghz的宽频段内极化转换率(pcr)大于90％，表明本实施例所述极化转换超表面2在宽频段范围内具有高效的极化转换能力，采用多谐振结构可以实现宽带和高效特性。
66.如图4和图5所示，为发明天线和参考天线在辐射状态下的反射系数和轴比进行仿真计算结果。从图4中可以看出参考天线的-10db的阻抗带宽为10.64-12.11ghz，其相对带宽为12.9％和所设计的天线阻抗带宽(10.4-12.3ghz，16.7％)比参考天线带宽增加了3.8％。从图5中可以看出参考天线的轴比在10.7ghz到11.43ghz保持在3db以下，相比于加载极化转换表面的设计天线的轴比相对带宽(10.98-11.68ghz，6.2％)几乎保持不变但频点略有偏移。
67.如图6和图7所示，为本发明天线和参考天线在11.3ghz时的辐射方向图的仿真结果，可以看出本发明天线与参考天线在xoz面和yoz面辐射方向图良好，并且可以在x波段实现圆极化。
68.如图8所示，为本发明天线和参考天线在两种极化的入射波照射下的单站雷达散射截面仿真结果，可以看出本实施例中的发明天线和参考天线相比，本发明天线在10.1ghz到30.5ghz可以实现10db以上单站rcs缩减且可以实现天线带内和带外的rcs。在不同极化方式下当频点为11ghz时单站rcs最大的缩减量为28db。
69.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：
1.一种超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，包括上层介质板和下层介质板；所述上层介质板上表面印刷有极化转换超表面，所述下层介质板上表面印制有金属地板，所述下层介质板的下表面印刷有馈电结构；所述极化转换超表面由无源谐振的极化转换单元按n
×
n的棋盘式周期排布组成；所述金属地板蚀刻有棋盘式排布的缝隙阵列天线；其中，n≥6。2.根据权利要求1所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述缝隙阵列天线由m
×
m个条形缝隙构成，且相邻的缝隙天线之间按照沿中心顺时针旋转分布；其中，m≥2。3.根据权利要求2所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述条形缝隙的长度和宽度相同。4.根据权利要求3所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，以矩形微带线作为天线的所述馈电结构，所述矩形微带线与所述条形缝隙相互垂直。5.根据权利要求1所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述极化转换超表面由一个置于中间的第一圆形切角方形贴片、两个沿对角线对称分布的第二圆形切角方形贴片、两个位于顶点的方形贴片和条带式贴片组成；所述第一圆形切角方形贴片和所述第二圆形切角方形贴片的方形顶点由内向外首尾一体相接，两个所述条带式贴片沿对角线放置，一端置于所述第一圆形切角方形贴片的重叠处，另一端各连接一个所述方形贴片。6.根据权利要求5所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述第一圆形切角方形贴片的边长为2.54mm，切角半径为1mm；所述第二圆形切角方形贴片的长度为0.94mm，切角半径为0.62mm。7.根据权利要求6所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述方形贴片边长为0.66mm。8.根据权利要求7所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述条带式贴片的宽度为0.1mm，长度为1.8mm。9.根据权利要求1所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述上层介质板为介电常数为2.2的矩形板材，所述上层介质板上开有19.3mm
×
2.6mm
×
2.5mm缝隙。10.根据权利要求1所述的超表面的低rcs圆极化缝隙阵列天线，其特征在于，所述下层介质板为介电常数为2.65的板材。

技术总结
本发明公开了一种超表面的低RCS圆极化缝隙阵列天线，包括上层介质板和下层介质板；上层介质板上表面印刷有极化转换超表面，下层介质板上表面印制有金属地板，下层介质板的下表面印刷有馈电结构；极化转换超表面由无源谐振的极化转换单元按N


技术研发人员：邢自健 郭聪毅 张兆林 王伶 宫延云 韩闯 李滔
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/9