CN111900547B - 基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线 - Google Patents

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CN111900547B CN202010848147.1A CN202010848147A CN111900547B CN 111900547 B CN111900547 B CN 111900547B CN 202010848147 A CN202010848147 A CN 202010848147A CN 111900547 B CN111900547 B CN 111900547B
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Abstract

本发明提出了一种基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线，包括自上而下排布且互不接触的正方形上层介质板、中层介质板和下层介质板，上层介质板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，中层介质板上表面印制有编码超表面，下层介质板上表面印制有单输入M2输出的微带馈电网络，下表面印制有金属辐射地板，该微带馈电网络通过贯穿中层介质板和上层介质板的金属探针与矩形微带辐射贴片连接。本发明通过将编码超表面与微带阵列天线高度集成，在保证辐射特性的同时实现了显著的RCS减缩，解决了现有技术中天线RCS减缩带宽窄以及难以兼顾天线辐射和散射性能的技术难题。

Description

基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种微带阵列天线，具体涉及一种基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线。
背景技术
在如今的通信领域中，信号发射和接收***是整个通信平台中最重要的组成部分之一，天线是该***中核心的部分，而辐射特性是衡量天线优劣的主要指标。提高散射特性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。
天线作为一种特殊的散射体，由于天线***本身的工作特点，其关键点在于保证其具有正常辐射和接收电磁波的功能前提下，实现其较低的雷达截面特性。因此，在确保天线的辐射性能的同时减小天线RCS已成为迫在眉睫的问题。
微带天线是在带有金属接地板的介质基板上贴加导体薄片而形成的天线，与常规天线相比，微带天线重量轻、体积小、剖面薄、易于加工。阵列天线是由不少于两个天线单元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。
超表面是一种新型的二维人工电磁材料，通过精心设计其单元结构可以使超表面达到调控电磁波的相位、振幅等电磁特性的效果，进而实现许多自然界不存在的电磁行为，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。
编码超表面将单元的相位响应与数字位“0”和“1”建立起对应关系，利用反射相位调制的方法使入射电磁波发生漫反射现象从而实现RCS减缩的效果。2018年5月，ChenZhang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 MagneticConductor 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
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线，用以解决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。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线，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的上表面印制有单输入M2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。
上述基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线，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。
上述基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线，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
Figure GDA0002963014080000031
其中R≥2，θ和
Figure GDA0002963014080000032
分别表示反射电磁波的仰角和方位角，k0表示波数,
Figure GDA0002963014080000033
和
Figure GDA0002963014080000034
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
Figure GDA0002963014080000035
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。
上述基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线，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。
上述基于编码超表面的宽带低散射微带阵列天线，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。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明编码超表面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所形成的，该超级子单元包括K×K个周期性排布的基本单元，基本单元包括中心蚀刻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
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例上层介质板上表面的俯视图；
图3是本发明实施例中层介质板上表面的俯视图；
图4是本发明实施例基本单元的结构示意图；
图5是本发明实施例对所得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的示意图；
图6是本发明实施例加载和未加载基本单元区域的幅度响应和相位响应；
图7是本发明实施例的|S11|示意图；
图8是本发明实施例在4.5GHz频点处的E面和H面辐射方向图；
图9是本发明实施例与PEC在TE极化和TM极化电磁波垂直入射下单站雷达截面对比示意图；
图10是本发明实施例在TE极化和TM极化电磁波倾斜入射下双站RCS减缩量示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明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，该三块介质板的边长为72mm，厚度为1mm，相对介电常数为4.4，其相同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。
所述2×2个矩形微带辐射贴片4，其结构如图2所示，微带辐射贴片4的形状为正方形，为了使本发明关于上层介质板1的中心具有对称的辐射方向图，本实施例2×2个正方形微带辐射贴片4，其中心位于上层介质板1的中心法线上，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。
参照图3，所述编码超表面5包括两行超级子单元51和两列超级子单元51，第一行超级子单元51和第一列超级子单元51分别位于中层介质板2上表面的相邻边缘处，第二行超级子单元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。
参照图4，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，该十字型金属贴片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。
参照图5，为了所述编码超表面5将电磁波散射到多个方向，显著提高RCS减缩效果，采用快速优化方法获取本发明实施例的最优编码序列矩阵M3，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8×8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
Figure GDA0002963014080000051
其中R≥2，θ和
Figure GDA0002963014080000052
分别表示反射电磁波的仰角和方位角，k0表示波数,
Figure GDA0002963014080000053
和
Figure GDA0002963014080000054
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
Figure GDA0002963014080000055
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；
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算法优化，本发明实施例采用穷举优化算法，得到一维编码序列矩阵，其序列为00101110，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M1，由于按0和1间隔排布的二维编码矩阵可以将散射电磁波分为四个波束，使其后向散射最小化，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。
本发明的工作原理是：本实施例微带阵列天线采用周期性排布的2×2个正方形微带辐射贴片，通过金属探针贯穿中层介质板和上层介质板将微带馈电网络的四个输出端分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。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例中加载和未加载基本单元区域的幅度响应和相位响应在2GHz-23GHz范围内进行仿真计算，结果如图6所示，其中：图6(a)为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。
1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的|S11|在3.5GHz-5GHz范围内进行仿真计算，结果如图7所示。
1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的远场辐射方向图在4.5GHz处进行仿真计算，结果如图8所示，其中：图8(a)为实施例本发明天线的E面辐射方向图，图8(b)为实施例本发明天线的H面辐射方向图。
1.4利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例在电磁波垂直照射情况下的单站雷达截面进行仿真计算，入射电磁波的频率从1GHz到23GHz变化。结果如图9所示，其中：图9(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。
1.5利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例在电磁波倾斜照射情况下的双站雷达截面减缩量进行仿真计算，入射角度θ分别取15°、30°和45°，入射电磁波的频率从1GHz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。
2、仿真结果分析：
参见图6，本发明实施例中加载和未加载基本单元区域在5GHz到21GHz内，其反射幅度都接近于1，可以实现对电磁波的全反射特性,其两者反射相位差可以实现180°±37°。
参照图7，本发明实施例在|S11|小于-10dB的条件下，具有3.9GHz到4.92GHz(23.1％相对带宽)的工作带宽，本发明实施例阵列天线具有良好的宽带阻抗匹配特性。
参照图8(a)和图8(b)，本发明实施例阵列天线在4.5GHz频点处的最大辐射方向垂直于辐射单元表面，最大增益为12.67dBi。
参照图9(a)和图9(b)，当TE极化和TM极化的平面波垂直照射到本发明实施例阵列天线表面时，在5.9GHz到21.7GHz频带(114.5％相对带宽)内实现超过10dB的RCS减缩，这说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。
参照图10(a)和图10(b)，当TE极化和TM极化的平面波倾斜照射到本发明实施例阵列天线表面时，这里考虑三种斜入射情况(θ＝15°、30°和45°)，本发明实施例阵列天线还可以保持良好的RCS减缩效果。
以上仿真结果说明，本发明可以在确保辐射性能的同时可以实现显著的RCS减缩效果。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，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。

Claims (5)

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)的上表面印制有单输入M2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
Figure FDA0002963014070000011
其中R≥2，θ和
Figure FDA0002963014070000012
分别表示反射电磁波的仰角和方位角，k0表示波数,
Figure FDA0002963014070000013
和
Figure FDA0002963014070000021
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
Figure FDA0002963014070000022
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。
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