一种基于特征模理论的阵列天线RCS缩减的设计方法与流程

一种基于特征模理论的阵列天线rcs缩减的设计方法
技术领域
1.本发明属于阵列天线技术领域，具体是一种基于特征模理论的阵列天线rcs缩减的设计方法。


背景技术：

2.rcs是表征目标在雷达接收方向上反射雷达信号能力的参数，因此通过rcs减缩技术可以有效的降低目标的散射，通过减小目标可被侦测的范围，实现相对敌方雷达隐身的效果。近年来隐身技术的不断发展，使得具有隐身功能要求的作战平台本身rcs已越来越低，而天线作为电子系统平台中搭载的必不可少的部件，正逐步成为整个平台rcs的主要来源。因此降低天线的rcs对实现作战平台的隐身至关重要。但是由于天线自身最主要的功能是保证电磁波的正常辐射和接收，外形设计和吸波材料等平台隐身常规措施难以直接用于天线rcs减缩。目前已经公开了许多关于天线rcs缩减技术的研究成果，大部分工作是针对单元天线或者阵列天线在法向入射情况下的rcs减缩，而关于阵列天线宽角域的rcs减缩研究报道较为少见。阵列天线相比于单个天线具有方向图灵活，波束可以扫描，主瓣更窄增益更高等优点，因此阵列天线被广泛应用于各类平台的通信系统中。同时伴随着阵列天线单元的增加，单元之间的耦合效应也变得更加复杂，针对其rcs缩减设计也就更加困难。在不改变天线尺寸的基础上，研究阵列天线rcs缩减具有重要的学术研究意义和工程应用价值。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种基于特征模理论的阵列天线rcs缩减的设计方法，给出了基于特征模理论的阵列天线的rcs的理论推导表达和设计步骤，提出通过单元的散射特征模式幅度抑制或者特征模式对消，实现阵列天线rcs缩减，为阵列天线rcs缩减提供了更清晰的理论指导。
4.一种基于特征模理论的阵列天线rcs缩减的设计方法，具体包括如下步骤：
5.第一步：建立传统微带天线单元模型，采用特征模理论分别计算辐射和散射情况下的包括模式权重系数(mwc)、模式电流和模式远场在内的特征模式参数；
6.根据特征模理论，传统微带天线单元表面的电流可表示为一系列相互正交且完备的特征电流的叠加：
[0007][0008]
其中，为传统微带天线单元表面的特征电流，αn为第n个特征模式的模式权重系数mwc，为第n个特征模式的特征电流；
[0009]
对于由同种单元组成的阵列天线，忽略天线单元间的相互影响，阵列天线的散射场表示为单元散射场和散射阵因子的乘积，阵列天线的散射场写为：
[0010][0011]
其中en是单元的特征模散射场，σ是阵列的散射阵因子；根据公式(2)可知，利用这三个参数从三种不同思路开展阵列天线rcs缩减，即：
[0012]
1)减小单元的模式权重系数的幅值αn；
[0013]
2)改变单元的模式电流的分布；
[0014]
3)调控单元不同模式间的相位当主要散射模式之间的相位差为180
°
时，可实现散射模式对消；
[0015]
第二步：根据传统微带单元的主要辐射模式与主要散射模式电流的分布特点对单元进行修形，在保证主要辐射模式不变情况下，使得新型单元的主要散射模式的复合相位与传统单元的相位差180
°
；
[0016]
对于由两种不同单元组成的阵列天线，忽略天线单元间的相互影响时，阵列天线的散射场表示为单元散射场与散射阵列因子的乘积，单元散射场可用特征模理论表示，则两种单元组成的两个子阵列的散射场分别可写为：
[0017][0018][0019]
其中αn和βm为两个单元的mwc，σ1和σ2为两个子阵列的散射阵列因子；当这两种单元数量相同，阵列形式相同时，散射阵因子相同(即为σ1＝σ2＝σ0)；因此，由天线单元1和天线单元2组成的阵列天线的总散射场可用特征模表示为：
[0020][0021]
其中，an和φn分别为天线单元1的特征模式的模式幅度和模式相位，bm和ψm分别为天线单元2的特征模式的模式幅度和模式相位；由式(5)可以得出，减小这两种单元散射特征场的叠加，可以减小阵列天线的散射场；当两天线单元的散射特征模式幅度相等时(an＝bm＝a0)，式(6)写为：
[0022][0023]
根据公式(6)对新型单元进行优化，当新型单元的主要散射模式的复合相位与传统单元的相位差180
°
时实现有效的rcs缩减；
[0024]
第三步：利用商业仿真软件，比较参考天线阵列和低散射阵列天线的辐射性能与散射性能，确认对消阵列天线的修形设计未对阵列天线的辐射性能造成明显降低且缩减阵列天线rcs。
[0025]
现代武器平台对于天线的隐身性能提出了越来越多新的需求，相较于传统阵列天线，本发明的基于特征模式对消的低散射阵列天线设计方法具有如下优点：
[0026]
(1)理论性强。采用特征模理论推导了阵列天线的rcs，给出了基于特征模理论的阵列天线rcs的理论表达式，总结出基于特征模理论的散射对消阵列设计流程，为阵列天线rcs缩减设计提供了更加清晰的理论指导。
[0027]
(2)隐身性能好。利用上述方法设计的阵列天线可实现在宽频段范围内的双线极化rcs缩减，能在保证天线辐射性能的基础上，更好的实现隐身性能。
附图说明
[0028]
图1是由两种天线单元组成的阵列天线结构示意图。
[0029]
图2是传统微带天线单元结构示意图。
[0030]
图3是模式对消天线单元a的结构示意图。
[0031]
图4是模式对消天线单元b的结构示意图。
[0032]
图5是模式对消天线单元a的复合幅度图。
[0033]
图6是模式对消天线单元a的复合相位图。
[0034]
图7是模式对消天线单元b的复合幅度图。
[0035]
图8是模式对消天线单元b的复合相位图。
[0036]
图9是设计阵列与参考阵列的x极化rcs仿真结果对比。
[0037]
图10是设计阵列与参考阵列的y极化rcs仿真结果对比。
具体实施方式
[0038]
下面给出基于特征模的阵列天线rcs缩减的设计步骤的推导。
[0039]
采用特征模理论推导了阵列天线的rcs，给出了基于特征模理论的阵列天线rcs的理论表达式，即阵列的rcs可写成单元的特征模式与散射阵因子的乘积，包含一种单元组成的阵列天线rcs的理论表达式和两种散射性能不同的单元组成阵列的rcs的理论表达式。
[0040]
对于有一种单元组成的阵列天线，通过降低单元的主要散射特征模式的幅度可以实现阵列天线rcs缩减。
[0041]
对于有一种单元组成的阵列天线，通过使单元的主要散射特征模式间的相位差180
°
左右，可实现单元特征模散射对消，从而实现阵列天线rcs缩减。
[0042]
对于两种散射性能不同单元组成的阵列天线，通过使两种单元间的主要散射特征模式对消，即不同单元间的主要散射特征模式复合相位差180
°
左右时，可以实现阵列天线的rcs缩减。
[0043]
针对上述的散射模式抑制或者散射对消，可以通过对单元修形、加载超表面等方法进行特征模式调控。
[0044]
给出了基于特征模式对消的阵列天线rcs缩减的设计步骤：第一步是建立传统微带天线单元模型，采用特征模理论分别计算辐射和散射情况下的模式权重系数(mwc)、模式电流、模式远场等特征模式参数，分析其辐射的主要特征模式与散射的主要特征模式；第二步是设计新型天线单元，根据上述传统微带单元上主要辐射模式与主要散射模式电流的分布特点对单元进行修形设计，保证主要辐射模式基本不变情况下，使得新型单元的主要散
射模式的复合相位与传统单元的相位差180
°
左右；第三步，比较参考天线阵列和低散射天线阵列的辐射性能与散射性能，确认对消阵列天线的修形设计未对阵列天线的辐射性能造成明显降低且缩减阵列天线rcs。
[0045]
下面为一更具体的实施例：
[0046]
第一步：建立传统微带天线单元模型，并对天线进行特征模分析。
[0047]
建立传统微带天线单元模型，采用特征模理论分别计算辐射和散射情况下的模式权重系数(mwc)、模式电流、模式远场等特征模式参数。
[0048]
根据特征模理论，传统微带天线单元表面的电流可表示为一系列相互正交且完备的特征电流的叠加：
[0049][0050]
其中，为传统微带天线单元表面的特征电流，αn为第n个特征模式的模式权重系数(mwc)，为第n个特征模式的特征电流。
[0051]
对于由同种单元组成的阵列天线，当忽略天线单元间的相互影响时，阵列天线的散射场可以近似表示为单元散射场和散射阵因子的乘积，阵列天线的散射场可写为：
[0052][0053]
其中en是单元的特征模散射场，σ是阵列的散射阵因子。根据公式(2)可知，可以利用这三个参数从三种不同思路开展阵列天线rcs缩减，即：
[0054]
1)减小单元的模式权重系数的幅值αn；
[0055]
2)改变单元的模式电流的分布；
[0056]
3)调控单元不同模式间的相位当主要散射模式之间的相位差为180
°
左右时，可实现散射模式对消。
[0057]
第二步：设计新型天线单元，使新型单元与参考单元的散射模式实现对消。
[0058]
根据上述传统微带单元的主要辐射模式与主要散射模式电流的分布特点对单元进行修形设计，保证主要辐射模式基本不变情况下，使得新型单元的主要散射模式的复合相位与传统单元的相位差180
°
左右。
[0059]
对于由两种单元组成的阵列天线，结构如图1所示，当忽略天线单元间的相互影响时，阵列天线的散射场可以近似表示为单元散射场与散射阵列因子的乘积，单元散射场可用特征模理论表示，则两种单元组成的两个子阵列的散射场分别可写为：
[0060][0061][0062]
其中αn和βm为两个单元的mwc，σ1和v2为两个子阵列的散射阵列因子。当这两种单
元数量相同，阵列形式相同时，散射阵因子相同(即为σ1＝σ2＝σ0)。因此，由单元1和单元2组成的阵列天线的总散射场可用特征模表示为：
[0063][0064]
其中，an和φn分别为单元1的特征模式的模式幅度和模式相位，bm和ψm分别为单元2的特征模式的模式幅度和模式相位。由式(5)可以得出，减小这两种单元散射特征场的叠加，可以减小阵列天线的散射场。当两单元的散射特征模式幅度相等时(an＝bm＝a0)，式(6)可写为：
[0065][0066]
根据公式(6)对新型单元进行优化，当新型单元的主要散射模式的复合相位与传统单元的相位差180
°
左右时可实现有效的rcs缩减。例如，当两种单元各有两种主模式时，阵列散射场幅度可简写为：
[0067][0068]
当φ
1-ψ1＝180
°
或φ
2-ψ2＝180
°
或φ
1-ψ2＝180
°
或φ
2-ψ1＝180
°
或φ
1-φ2＝180
°
或ψ
1-ψ2＝180
°
时，可以实现特征模式对消以减小阵列天线的rcs。当两种单元的所有特征模之间的散射相位差为180
°
时，可以得到此时阵列天线的rcs达到极小值。
[0069]
第三步：低散射阵列天线的辐射和散射性能分析。
[0070]
利用商业仿真软件，比较参考天线阵列和低散射阵列天线的辐射性能与散射性能，确认对消阵列天线的修形设计未对阵列天线的辐射性能造成明显降低且缩减阵列天线rcs。
[0071]
在上述理论指导下，按照设计步骤，给出了两种模式对消单元，结构如图2至图4所示，包括下层的金属地板结构、中层介质板、上层的矩形辐射贴片组成。分别在微带天线辐射贴片表面加载矩形槽与十字缝隙，使得两种天线单元的主要散射特征模式相位实现有效相位差，在宽频段范围内实现双线极化特征模式对消。下面是具体的设计步骤：
[0072]
首先采用feko商用软件计算了传统微带天线单元辐射和散射情况下的复合幅度与复合相位等特征模式参数。
[0073]
在保证传统微带天线单元辐射性能不变情况下，根据散射模式电流分别特点，通过在辐射贴片进行修形，实现对单元散射模式相位调控。两种单元分别在辐射贴片沿馈线的方向边引入矩形缺口与蚀刻十字缝隙。在y极化平面波入射下，单元a与单元b的前6种主要散射模式的复合幅度和复合相位计算结果如图5至图8所示。在4ghz～8ghz频带内，模式1和模式2的复合幅度数值最高，因此，模式1和模式2是单元a和单元b的主要散射模式。两种主要散射模式的复合相位差大致为180
°
，因此，单元a和单元b可以实现宽带散射对消。分别对设计阵列天线和参考阵列天线的散射特性进行仿真计算，两种阵列的单站rcs仿真结果
对比如图9和图10所示，设计阵列天线的rcs减缩带宽为4ghz-8ghz。
[0074]
综上，基于特征模式对消的低散射阵列天线的设计方法设计的阵列天线，具有宽带辐射、宽带双极化低雷达散射截面等优点，适用于舰载、机载等需要隐身的平台。

技术特征：
1.一种基于特征模理论的阵列天线rcs缩减的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：第一步：建立传统微带天线单元模型，采用特征模理论分别计算辐射和散射情况下的包括模式权重系数mwc、模式电流和模式远场在内的特征模式参数；根据特征模理论，传统微带天线单元表面的电流可表示为一系列相互正交且完备的特征电流的叠加：其中，为传统微带天线单元表面的特征电流，α
n
为第n个特征模式的模式权重系数mwc，为第n个特征模式的特征电流；对于由同种单元组成的阵列天线，忽略天线单元间的相互影响，阵列天线的散射场表示为单元散射场和散射阵因子的乘积，阵列天线的散射场写为：其中e
n
是单元的特征模散射场，σ是阵列的散射阵因子；根据公式(2)可知，利用这三个参数从三种不同思路开展阵列天线rcs缩减，即：1)减小单元的模式权重系数的幅值α
n
；2)改变单元的模式电流的分布；3)调控单元不同模式间的相位当主要散射模式之间的相位差为180
°
时，可实现散射模式对消；第二步：根据传统微带单元的主要辐射模式与主要散射模式电流的分布特点对单元进行修形，在保证主要辐射模式不变情况下，使得新型单元的主要散射模式的复合相位与传统单元的相位差180
°
；对于由两种不同单元组成的阵列天线，忽略天线单元间的相互影响时，阵列天线的散射场表示为单元散射场与散射阵列因子的乘积，单元散射场可用特征模理论表示，则两种单元组成的两个子阵列的散射场分别可写为：单元组成的两个子阵列的散射场分别可写为：其中α
n
和β
m
为两个单元的mwc，σ1和σ2为两个子阵列的散射阵列因子；当这两种单元数量相同，阵列形式相同时，散射阵因子相同，即为σ1＝σ2＝σ0；因此，由天线单元1和天线单元2组成的阵列天线的总散射场可用特征模表示为：
其中，a
n
和φ
n
分别为天线单元1的特征模式的模式幅度和模式相位，b
m
和ψ
m
分别为天线单元2的特征模式的模式幅度和模式相位；由式(5)可以得出，减小这两种单元散射特征场的叠加，可以减小阵列天线的散射场；当两天线单元的散射特征模式幅度相等时，a
n
＝b
m
＝a0，式(6)写为：根据公式(6)对新型单元进行优化，当新型单元的主要散射模式的复合相位与传统单元的相位差180
°
时实现有效的rcs缩减；第三步：利用商业仿真软件，比较参考天线阵列和低散射阵列天线的辐射性能与散射性能，确认对消阵列天线的修形设计未对阵列天线的辐射性能造成明显降低且缩减阵列天线rcs。

技术总结
本发明提出了一种基于特征模理论的阵列天线RCS缩减的设计方法，属于天线技术领域；给出了基于模式对消的阵列天线RCS缩减的设计步骤：第一步是建立传统微带天线单元模型，分析其辐射的主要特征模式与散射的主要特征模式；第二步是设计新型天线单元，根据上述传统微带单元上主要辐射模式与主要散射模式电流的分布特点对单元进行修形设计；第三步，比较参考天线阵列和低散射天线阵列的辐射性能与散射性能，确认对消阵列天线的修形设计未对阵列天线的辐射性能造成明显降低且缩减阵列天线RCS。本发明使得阵列天线具有宽频带辐射、宽频带双极化低雷达散射截面等优点，适用于舰载、机载等需要隐身的平台。机载等需要隐身的平台。机载等需要隐身的平台。


技术研发人员：贾丹 韩嘉良 赵泽康 韩国栋 吴旭 刘亚昆
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/22