CN112768892A - 一种基于编码思想的低rcs超表面天线阵及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵及其设计方法，天线阵包含：第一动态散射金属贴片层、第一介质层、金属背板层、第二介质层、底部金属馈电网络层、多个同轴金属馈电柱以及多个开关二极管，依序将所述的金属层和介质层无缝层叠压合在一起；所述的多个同轴金属馈电柱自上而下分别贯穿上述的第一动态散射金属贴片层、第一介质层、金属背板层、第二介质层以及底部馈电网络层；所述的金属背板层上设有多个对应的孔洞，用于与金属馈电柱进行隔离。本发明通过改变开关二极管的通与断状态，进而改变动态散射金属层的散射相位，在不影响天线辐射性能的同时实现天线整体的散射场相干抵消达到隐身的效果。

Description

一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵及其设计方法

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵及其设计方法。

背景技术

作为现代信息化战争中必不可少的一环——天线对于战场信息的实时通讯起到了重要的作用。然而，在实际应用中常常为了保证无线通信***的正常运行，天线常常被置于相对比较暴露的位置从而产生比较大的雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)即强散射特性。因此，如何有效减缩天线的RCS成为军用低可探测性雷达***设计的热点问题。

超表面是一种亚波长结构的人工电磁材料，具备传统材料所不具备的特殊电磁特性，能够灵活调控电磁波的幅度、相位和极化从而达到提高增益、极化转换以及天线隐身的效果。2014年，东南大学崔铁军教授课题组提出了编码超表面的概念，将数字电路中“0”和“1”的设计思想引入到超表面的设计当中，使得超表面的设计更加灵活。尽管已经有较多通过加载编码超表面实现减缩RCS效果的文献，但是仅考虑了超表面层并没有结合天线层考虑或者超表面层与天线层分开独立设计，不仅增加了整体天线的剖面而且也增加了设计的难度。因此，结合编码超表面以及超表面天线的思想，找到一种能够在保证天线辐射性能基本不受影响的情况下降低其带内外RCS的方法，具有重要的研究意义。

期刊文献：Y.Jia,Y.Liu,W.Zhang,J.Wang,S.Gong,G.Liao.High-Gain Fabry-Perot Antennas With Wideband Low Monostatic RCS Using Phase GradientMetasurface[J].IEEE Acess,vol.7,pp.4816-4824,2019；文献基于法布里佩罗腔的理论，在其部分反射面上分别引用相位梯度超表面以及吸波层，在实现高增益的同时实现天线带内外RCS的缩减，其仿真结果显示，该天线的最大增益可以达到17.9dBi,在7-11GHz范围内RCS都实现了缩减的效果，但是RCS缩减效果并不明显，谐振点处RCS缩减最大值为13dB。由于超表面与天线独立设计，天线整体剖面的高度为23mm，约为1.05λ_g，其中λ_g为天线谐振点处的工作波长，相比于参考天线阵，大大增加了天线的尺寸，且由于超表面与天线之间的耦合影响，天线的相对带宽仅为1.8％，由于天线单元是固定的，并不能灵活实时对其进行调控从而呈现出更多更复杂的状态，显然还需要改进。

期刊文献：J.Yu,W.Jiang,S.Gong.Low-RCS Beam-Steering Antenna Based onReconfigurable Phase Gradient Metasurface[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.18,No.10,pp.2016-2020,October 2019；该文献通过在天线上方加载三层由pin管构成的相位梯度超表面以及在天线周围一圈加载方环形状的吸波结构同时实现天线带内外RCS的缩减以及天线波束的调控两种功能，仿真结果显示，该天线在4.2-4.55GHz范围内均可以实现RCS缩减效果，相比于参考天线，在4.3GHz处天线的单站RCS最大可降低28dB。但是同样地，由于加载了超表面以及周围的方环吸波结构，天线的整体尺寸大幅度增大，高度为53.9mm，约为1.6λ_g，其中λ_g为天线谐振点处的工作波长，且该天线的RCS缩减的相对带宽也很窄，增益也仅达到了4.5dB,并没有很好得实现宽频带范围内雷达散射截面积的缩减。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵及其设计方法，以解决现有技术中低剖面灵活调控天线RCS缩减的问题。通过加载开关二极管，以二极管的通与断状态实时控制第一动态散射金属层俩种状态下的散射相位，在保证天线阵辐射特性的同时，极大程度缩减其雷达散射截面积，与此同时本发明还具有低剖面、易加工的特点，便于与电路进行集成。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵，包括：第一动态散射金属贴片层、第一介质层、金属背板层、第二介质层、底部金属馈电网络层、多个同轴金属馈电柱以及多个开关二极管；所述第一动态散射金属贴片层、第一介质层、金属背板层、第二介质层、底部金属馈电网络层从上至下依次无缝层叠；所述多个同轴金属馈电柱自上而下分别贯穿上述的第一动态散射金属贴片层、第一介质层、金属背板层、第二介质层、底部金属馈电网络层；

所述第一动态散射金属贴片层包括多个矩形贴片、第一和第二金属条状贴片；第一金属条状贴片和第二金属条状贴片完全相同，第一和第二金属条状贴片以矩形金属贴片的中心为中心对称排布，且通过两个开关二极管与所述矩形贴片相连接；所述矩形贴片、第一和第二金属条状贴片、两个开关二极管构成一个金属贴片单元。

进一步的，所述的第一介质层、第二介质层均采用F4B聚四氟乙烯玻璃布纸材料，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。

进一步的，所述的第一动态散射金属贴片层包括8个二极管导通状态单元和8个二极管断开状态单元，通过改变开关二极管的通与断状态实现动态调控超表面天线的散射相位，使所述二极管导通状态单元和二极管断开状态单元的散射相位差满足180°±37°的要求，基于对消原理，以棋盘结构形式4*4周期排布于介质层上。

进一步的，所述超表面天线阵包含4*4个所述金属贴片单元，相应具有4*4个同轴馈电点，将所述的4*4个同轴馈电点在4*4贴片单元下方规则排布。

进一步的，所述金属背板层采用导电率为σ＝5.8×10⁷S/m铜材料，尺寸为60mm*60mm；所述的金属背板层上设有多个对应的孔洞，用于与金属馈电柱进行隔离。

一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵的设计方法，包括步骤如下：

1)根据微带天线的理论公式计算出第一动态散射金属贴片层中矩形贴片的理论尺寸；

2)根据同轴馈电点位置的计算公式推导出同轴金属馈电柱的位置，并将其周期排布在对应的天线单元下方；

3)通过调整第一和第二金属条状贴片的尺寸和位置使得所述的超表面天线阵在二极管通与断状态下的散射相位满足180°±37°的相位差；

4)通过调整各金属贴片的尺寸对超表面天线阵列的辐射特性进行调整与优化；

5)根据天线阵列功率分配器的计算公式计算出底部金属馈电网络层的尺寸。

其中，c为真空中光的传播速度，f为指定的天线谐振点频率，ε_r为介质层的相对介电常数，h为第一介质层的厚度，W为所述矩形微带贴片天线单元辐射边的宽度，L为所述矩形微带贴片天线单元辐射边的长度，ε_e为有效介电常数，△L为所述矩形微带贴片天线单元辐射边长度的扩展量，λ_e为所述矩形微带贴片天线的波导波长。

进一步的，所述步骤2)中的同轴金属馈电柱位置的计算公式为

其中，d为第一矩形贴片单元的同轴金属馈电柱与矩形贴片单元中心的距离。

进一步的，所述步骤3)中调整第一和第二金属条状贴片的尺寸和位置的具体步骤如下：

31)对于矩形贴片的长和宽的尺寸进行仿真优化；

32)优化完成后，在保证矩形贴片的尺寸不变的前提下，先调整第一和第二金属条状贴片与矩形贴片之间的距离，使其在二极管通与断时，所述超表面天线结构作为天线辐射单元工作时，其工作频段以及辐射方向图基本与原参考天线的保持一致；

33)接着微调第一和第二金属条状贴片的长度使其在作为超表面单元时散射相位满足180°±37°的相位差。

进一步的，所述步骤5)中对于天线阵列功率分配器的设计步骤如下：

51)先计算出10.6GHz工作频率下，采取F4B聚四氟乙烯玻璃材料时，50Ω阻抗匹配线的宽度；

52)接着通过四分之一阻抗匹配公式

计算相邻两个一分四功率分配器中间连接线的阻抗值以及长度，长度为λ_g/4，其中λ_g为天线谐振频点处的波导波长，并计算出相应的宽度；

53)将功率分配器与第一动态散射金属层、第一介质层、金属背板层联合仿真；

54)通过对于金属馈电网络层各个馈线的长度进行参数优化，最终实现良好的辐射性能。

有益效果：

本发明具有低剖面特性，良好的辐射及散射特性，本发明通过融合编码超表面以及超表面天线这两个目前超表面的研究热点，用开关二极管的通与断来替代棋盘布阵中相位相差180°±37°的两个单元，从而实现天线整体的散射场相干相消，通过将参考天线的单个主瓣散射波束分散至四个无威胁的角度，一定程度上实现了天线带内外隐身的目的。

同时本发明实现了超表面结构与天线阵列的一体化设计，将编码超表面天线既视为天线的辐射单位又作为散射场中的超表面单元，相比于目前的将超表面置于天线上方或者在天线周围加载超表面结构的研究，降低了天线的剖面，也减少了加工的复杂度；在保证天线阵列在谐振频段内辐射性能不受到影响的同时，降低了天线的RCS；本发明对于天线隐身设计领域具有重要的研究意义。

附图说明

图1为本发明基于编码思想的低RCS超表面天线阵结构的俯视图。

图2为本发明基于编码思想的低RCS超表面天线阵结构的侧视图。

图3为本发明基于编码思想的低RCS超表面天线阵结构的金属背板层的俯视图。

图4为本发明基于编码思想的低RCS超表面天线单元结构的俯视图。

图5为本发明基于编码思想的低RCS超表面天线阵结构采用的pin管的等效电路模型图。

图6为本发明中超表面天线阵结构与参考天线的单站RCS随频率变化曲线的对比图。

图7a为本发明参考微带天线阵列在平面波沿-z轴垂直入射条件下10.6GHz下的三维散射方向图对比图。

图7b为本发明超表面天线阵结构在平面波沿-z轴垂直入射条件下10.6GHz下的三维散射方向图对比图。

图8为本发明中超表面天线阵呈棋盘结构布局时与参考天线(“ON”和“OFF”)俩种状态下反射系数的曲线图。

图9a为本发明超表面天线阵在第一谐振频点10.55GHz处的xoz面增益图。

图9b为本发明超表面天线阵在第二谐振频点11.84GHz处的xoz面增益图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

以4*4的超表面天线阵为例，参照图1、图2所示，本发明的基于编码思想的低RCS超表面天线阵结构，其包含：

第一动态散射金属贴片层(具体指代8个二极管导通状态单元1、8个二极管断开状态单元2)、第一介质层3、金属背板层5、第二介质层4、底部金属馈电网络层6、16个同轴金属馈电柱7以及32个开关二极管9，依序将所述的金属层和介质层无缝层叠压合在一起；

所述的二极管导通状态单元1与二极管断开状态单元2呈棋盘布局周期排布于第一介质层3的上表面，金属背板层4印制于第一介质层3的下表面，

所述的16个同轴金属馈电柱7自上而下分别贯穿上述的第一动态散射金属贴片层、第一介质层3、金属背板层5、第二介质层4以及底部馈电网络层6；

所述的第一介质层3以及第二介质层4均采用60mm*60mm的F4B材料，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，其中第一介质层3的厚度为1.6mm,第二介质层4的厚度为0.6mm；

所述第一动态散射金属贴片层、金属背板层5、底部金属馈电网络层6均采用导电率为σ＝5.8×10⁷s/m的铜材料，尺寸为60mm*60mm。

参照图3，所述的金属背板层4上设有16个与上述16个同轴金属馈电柱7所在位置对应的孔洞8，用于与金属馈电柱进行隔离。

参照图4、5所示，以二极管导通状态时的单元1为例，矩形贴片的尺寸为L*W，L的长度为9.3mm，W的长度为7.5mm，距离矩形贴片中心g1处为同轴金属馈电柱7的所在位置，其中g1的长度为1.5mm，同轴金属馈电柱7的半径为0.5mm；所述的超表面天线单元尺寸p为15mm；所述的开关二极管9的等效电路模型为：当二极管处于导通状态时相当于一个7.8Ω的电阻与一个30pH的电感进行串联，而当二极管处于断开状态时相当于一个20fF的电容与一个30pH的电感进行串联；所述的单元1结构中包含俩个开关二极管9分别通过第一和第二金属条状贴片与矩形贴片进行连接，第一金属条状贴片和第二金属条状贴片完全相同，以矩形金属贴片的中心为中心对称排布。

本发明的一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵的设计方法，包括步骤如下：

1)根据微带天线的理论公式计算出第一动态散射金属贴片层中矩形贴片的理论尺寸；所述的矩形贴片天线的理论尺寸计算公式为：

其中，c为真空中光的传播速度，f为指定的谐振点频率，ε_r为介质层的相对介电常数，h为第一介质层的厚度，W为所述矩形微带贴片天线单元辐射边的宽度，L为所述矩形微带贴片天线单元辐射边的长度，ε_e为有效介电常数，△L为所述矩形微带贴片天线单元辐射边长度的扩展量，λ_e为所述矩形微带贴片天线的波导波长。

2)根据同轴馈电金属柱位置的计算公式推导出同轴金属馈电柱的位置，并将其排布在对应的天线单元下方；

同轴馈电点位置的计算公式为：

其中，d为第一矩形贴片单元的同轴金属馈电柱与矩形贴片单元中心的距离。

3)查找文献，找出相应频段适合的开关二极管的型号以及等效电路模型，通过商用软件CST STUDIO SUITE 2018进行仿真调试调整第一和第二金属条状贴片的尺寸和位置使得y极化入射波入射下，所述编码超表面天线阵在二极管通与断状态下的散射相位满足180°±37°的相位差，同时不影响x极化入射波的反射幅度；

调整第一和第二金属条状贴片的尺寸和位置的具体步骤如下：

31)通过商业仿真软件CST STUDIO SUITE 2018对于矩形贴片的长L以及宽W的尺寸进行仿真优化；

32)优化完成后，在保证矩形贴片的尺寸不变的前提下，先调整第一和第二金属条状贴片与矩形贴片之间的距离使其在二极管开与断时作为天线辐射单元的工作频段以及辐射方向图基本与原参考天线的保持一致；

33)接着微调第一和第二金属条状贴片的长度，使所述超表面天线阵在作为超表面单元时散射相位满足180°±37°的相位差。

4)通过调整各金属贴片的尺寸对超表面天线阵列的辐射特性进行调整与优化。

5)根据天线阵列功率分配器的计算公式计算出底部金属馈电网络层的尺寸以及位置。

51)先借助工具软件TXLINE计算出10.6GHz工作频率下，采取F4B聚四氟乙烯玻璃材料时，50Ω阻抗匹配线的宽度；

52)接着通过四分之一阻抗匹配公式

计算相邻两个一分四功分器中间连接线的阻抗值以及长度(约为λ_g/4，其中λ_g为天线谐振频点处的波导波长)；

53)借助TXLINE计算出相应的宽度；借助CST软件将功分器与所述的第一动态散射金属层、第一介质层、金属背板层联合仿真；

54)通过对于金属馈电网络层各个馈线的长度进行参数优化，最终实现良好的辐射性能。

本发明具有低剖面特性：该超表面天线既可以在散射情况下被视为4*4的超表面单元，又可以在辐射情况下视作4*4的微带天线阵列，从而省去了超表面与天线分开独立设计的复杂性以及高度叠加的冗余性，仅包含上下俩层介质层，天线的整体高度为2.305mm,约为0.13λ_g，其中λ_g为该超表面天线作为辐射单元工作时谐振点处的波长，具有很好的低剖面特性。

本发明具有良好的辐射特性，采取4*4个天线阵列为例，天线阵列的整体尺寸为60mm*60mm。当天线阵列中所有pin管处于全“ON”状态时，天线工作在11.9GHz，增益大小为16.7dB；当天线阵列中所有pin管处于全“OFF”状态时，天线工作在10.6GHz，增益大小为15.6dB，呈现出频率可重构的效果；而当天线以8个“0”(pin管断开)和8个“1”(pin管导通)状态呈棋盘形式布局时，相较于参考微带天线阵列，该天线的雷达散射截面积能够实现一定程度的缩减效果；以S₁₁≤-10dB为标准，天线阵列呈现双频特性，工作频带为10.41-10.76GHz以及11.70-11.97GHz，分别与所述的俩个参考天线(“ON”与“OFF”状态)的工作频率一一对应，俩个谐振频点处的增益大小分别为14.4dB、13.9dB，显然所述编码超表面天线阵的辐射性能基本不受影响。

本发明具有良好的散射特性，与参考的微带天线阵列相比：单站RCS随频率的变化曲线显示能在9.0-12.2GHz的宽频带实现雷达散射截面积减缩的效果，在10.6GHz下本发明天线的三维散射方向图显示当y极化波以θ＝0°，

角度入射时，天线阵列主反射波束受到抑制指向四个象限，在10.6GHz下，本发明超表面天线阵列主平面(XZ,YZ)下的RCS相比于参考天线减少了18.2dB，且基本在10.6-11.4GHz频带范围内雷达散射截面积减缩量大于10dB；说明本发明基于可编码思想的超表面天线既可以在pin管通与断的切换状态下实现频率可重构的特性，又能够以“0”和“1”状态呈现棋盘布局时很大程度得实现缩小天线雷达散射截面积的效果，从而达到隐身的目的。

对于所述编码超表面天线阵与参考天线的单站RCS随频率变化的曲线进行仿真计算，参照图6所示，本发明天线与参考微带天线阵列相比，能在9.00-12.2GHz的频段范围内均实现天线雷达散射截面积的减小，其中尤其在10.4-11.4GHz频段内天线RCS减缩效果大于10dB以上，由此证明上述编码超表面天线阵在以“0”和“1”状态呈现棋盘布局时能够实现大幅度宽频带缩减天线阵列的雷达散射截面积的效果，降低雷达***被敌机探测到的风险。

对于所述编码超表面天线阵与参考天线阵在y极化波沿着-z轴垂直入射情况下，10.6GHz处散射场的三维方向图进行仿真计算，参照图7a-图7b所示，其中图7a为参考天线在y极化波垂直入射时的三维散射图，可以看出θ＝0°方向上一个明显的主峰波束，图7b为本发明编码超表面天线阵的三维散射方向图，与参考微带天线阵相比，在垂直入射时，原先的主瓣波束得到了抑制指向了四个象限，主平面(XZ,YZ)的RCS相较于参考天线阵下降了18dB，由此也验证了棋盘结构的工作原理，由于10/01交叉排布，相邻俩个单元结构相位相差180°±37°，散射波束被重新定向到四个没有威胁的角度，说明本发明超表面天线阵是符合隐身天线的设计要求的。

对于所述编码超表面天线阵与参考天线阵在辐射、接收状态下的反射系数进行仿真计算，如图8所示，当参考天线阵列中所有pin管处于全“ON”状态时，天线工作在11.9GHz；当天线阵列中所有pin管处于全“OFF”状态时，天线工作在10.6GHz，由此呈现出频率可重构的效果；而当天线以8个“0”(pin管断开)和8个“1”(pin管导通)状态呈棋盘形式布局时，以S₁₁≤-10dB为标准，相较于参考微带天线阵列，天线阵列呈现双频特性，工作频带为10.41-10.76GHz以及11.70-11.97GHz，与“ON”和“OFF”俩种状态下参考天线阵的工作频段一一对应，基本保持一致，说明本发明编码超表面天线的辐射性能基本不受影响。

对于所述编码超表面天线阵与参考天线阵在辐射、接收状态下俩个工作频点处的xoz面增益方向图进行仿真计算，具体如图9a-图9b所示，当天线阵列中所有pin管处于全“ON”状态时，天线谐振频点处的增益大小为16.7dB；当天线阵列中所有pin管处于全“OFF”状态时，天线工作频点处的增益大小为15.6dB；而本发明超表面天线与参考微带天线阵列相比，在xoz面的增益差距较小，图9a为本发明编码超表面天线在第一谐振频点10.55GHz处的增益大小为14.4dB,图9b为本发明编码超表面天线阵在第二谐振频点处的增益大小为13.9dB，说明本发明编码超表面天线阵列与参考天线阵在谐振频率处xoz面的增益方向图基本保持一致。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵，其特征在于，包括：第一动态散射金属贴片层、第一介质层(3)、金属背板层(5)、第二介质层(4)、底部金属馈电网络层(6)、多个同轴金属馈电柱(7)以及多个开关二极管(9)；所述第一动态散射金属贴片层、第一介质层(3)、金属背板层(5)、第二介质层(4)、底部金属馈电网络层(6)从上至下依次无缝层叠；所述多个同轴金属馈电柱(7)自上而下分别贯穿上述的第一动态散射金属贴片层、第一介质层(3)、金属背板层(5)、第二介质层(4)以及底部金属馈电网络层(6)；

所述第一动态散射金属贴片层包括多个矩形贴片、第一和第二金属条状贴片；第一金属条状贴片和第二金属条状贴片完全相同，第一和第二金属条状贴片以矩形金属贴片的中心为中心对称排布，且通过两个开关二极管(9)与所述矩形贴片相连接；所述矩形贴片、第一和第二金属条状贴片、两个开关二极管(9)构成一个金属贴片单元。

2.根据权利要求1所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述的第一介质层(3)、第二介质层(4)均采用F4B聚四氟乙烯玻璃布纸材料，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。

3.根据权利要求1所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述的第一动态散射金属贴片层包括8个二极管导通状态单元(1)和8个二极管断开状态单元(2)，通过改变开关二极管的通与断状态实现动态调控超表面天线的散射相位，使所述二极管导通状态单元(1)和二极管断开状态单元(2)的散射相位差满足180°±37°的要求，基于对消原理，以棋盘结构形式4*4周期排布于介质层上。

4.根据权利要求1所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述超表面天线阵包含4*4个所述金属贴片单元，相应具有4*4个同轴馈电点，将所述的4*4个同轴馈电点在4*4贴片单元下方规则排布。

5.根据权利要求1所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵，其特征在于，所述金属背板层(5)采用导电率为σ＝5.8×10⁷S/m铜材料，尺寸为60mm*60mm；所述的金属背板层(5)上设有多个对应的孔洞(8)，用于与金属馈电柱(7)进行隔离。

6.一种基于编码思想的低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)根据微带天线的理论公式计算出第一动态散射金属贴片层中矩形贴片的理论尺寸；

2)根据同轴馈电点位置的计算公式推导出同轴金属馈电柱(7)的位置，并将其周期排布在对应的天线单元下方；

3)通过调整第一和第二金属条状贴片的尺寸和位置使得所述的超表面天线阵在二极管通与断状态下的散射相位满足180°±37°的相位差；

4)通过调整各金属贴片的尺寸对超表面天线阵列的辐射特性进行调整与优化；

5)根据天线阵列功率分配器的计算公式计算出底部金属馈电网络层的尺寸。

7.根据权利要求6所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，所述的步骤1)中的矩形贴片的理论尺寸计算公式为：

其中，c为真空中光的传播速度，f为指定的天线谐振点频率，ε_r为介质层的相对介电常数，h为第一介质层的厚度，W为所述矩形微带贴片天线单元辐射边的宽度，L为所述矩形微带贴片天线单元辐射边的长度，ε_e为有效介电常数，△L为所述矩形微带贴片天线单元辐射边长度的扩展量，λ_e为所述矩形微带贴片天线的波导波长。

8.根据权利要求6所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，所述步骤2)中的同轴金属馈电柱位置的计算公式为

其中，d为第一矩形贴片单元的同轴金属馈电柱与矩形贴片单元中心的距离。

9.根据权利要求6所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，所述步骤3)中调整第一和第二金属条状贴片的尺寸和位置的具体步骤如下：

31)对于矩形贴片的长和宽的尺寸进行仿真优化；

32)优化完成后，在保证矩形贴片的尺寸不变的前提下，先调整第一和第二金属条状贴片与矩形贴片之间的距离，使其在二极管通与断时，所述超表面天线结构作为天线辐射单元工作时，其工作频段以及辐射方向图基本与原参考天线的保持一致；

33)接着微调第一和第二金属条状贴片的长度使其在作为超表面单元时散射相位满足180°±37°的相位差。

10.根据权利要求6所述的基于编码思想的低RCS超表面天线阵的设计方法，其特征在于，所述步骤5)中对于天线阵列功率分配器的设计步骤如下：

51)先计算出10.6GHz工作频率下，采取F4B聚四氟乙烯玻璃材料时，50Ω阻抗匹配线的宽度；

52)接着通过四分之一阻抗匹配公式

计算相邻两个一分四功率分配器中间连接线的阻抗值以及长度，长度为λ_g/4，其中λ_g为天线谐振频点处的波导波长，并计算出相应的宽度；

53)将功率分配器与第一动态散射金属层、第一介质层(3)、金属背板层(5)联合仿真；

54)通过对于金属馈电网络层各个馈线的长度进行参数优化，最终实现良好的辐射性能。

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