[发明专利]基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵

说明书

本发明公开了一种基于强耦合效应的锥台载二维共形低散射超宽带相控阵天线，该它完全共形于锥台表面，偶极子辐射单元沿着圆周方向的间距随着锥台母线呈线性变化，呈现锥形变化的布阵方式，在6‑18GHz的宽频带范围内实现了E面以及H面±45°扫描。通过加载长条金属贴片，有效改善了由共形环境引起的有源驻波恶化。此外，准周期性电磁超材料的加载在相控阵天线工作频的全频频范围内显著地降低相控阵天线自身的交叉极化RCS，共形相控阵的总体辐射效率保证在较高水平。最后，全裂口环的应用帮助实现了相控阵天线在具有超宽带宽角扫描特性的同时，保证了相控阵天线的散射特性。

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及二维共形、低散射超宽带宽角扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，加载了电磁超材料的，共形于锥台载体的，散射特性良好，能实现超宽带宽角扫描的相控天线阵。特别适用于要求天线隐身性能良好且与平台共形一体化，并能实现超宽带宽角扫描的平台。

背景技术

随着信息化战争的日渐发展，尤其是雷达探测技术的飞速进步，隐身技术在现代电子战争中占有越来越重要的地位。雷达散射截面(Radar Cross Section)，简称为RCS，是衡量被探测目标隐身性能的重要指标。雷达散射截面的大小直接决定了被探测目标的隐身性能，天线作为载体平台的强散射源之一，对其RCS有着巨大的影响。而天线作为有源目标，在对其进行隐身处理时必须保证其能够正常地收发电磁波，因此常规的隐身手段无法直接作用于天线。传统的宽带相控阵由于在设计阵元时不考虑单元间的互耦，因此组阵后在较大程度上影响相控阵工作带宽。而且，具有宽频带特性的传统相控阵单元一般都具有较大的横向或纵向尺寸。横向尺寸太大，则影响相控阵列的宽带宽角扫描特性；纵向尺寸太大，则不适合平面结构的实现，不便于共形。且在某些载体上，要求相控阵天线实现与载体的共形一体化。

基于强互耦效应的宽带相控阵是近年来国际上提出的一种新概念相控阵天线，相较于传统相控阵，这种单元紧密排列的新型相控阵天线更适用于小型化以及宽带宽角扫描特性的设计。2003年，俄亥俄州立大学的B.Munk教授在美国专利号6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)中首次提出了这种新型的宽带相控阵。其特点是通过缩小距离，加强耦合，直接利用单元间的强互耦效应形成连续电流，克服了互耦效应对天线带宽和扫描角的限制。经过近年的研究表明：强互耦宽带相控阵天线具有非常好的超宽频带特性，较传统相控阵天线更宽的无栅瓣扫描角，此外，它还具有低剖面，且整体呈平面结构，易于与飞行器等载体实现共形，对载体整体气动性能影响很小等特点。然而这种强互耦相控阵依旧存在着天线剖面较高，二维扫描效果差等缺点。同时该团队也并未对天线散射特性加以研究或进行控制，因此天线本身并不具有低RCS特性。

为了进一步优化强耦合天线阵的辐射性能以及对其散射性能进行控制，一些改进形式的强耦合天线阵被提出。中国专利申请号为201710509295.9的专利“基于极化转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线”在强耦合天线阵的地板上方放置具有极化旋转效应的超材料来缩减天线的RCS，具有一定的效果。但该结构为了不影响天线的辐射性能，只适用于天线工作频带外的RCS缩减。

Stefan Varault于2017年在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊发表了一篇题为“RCS Reduction with a Dual polarized self-ComplementaryConnected Array Antenna“的文章。这篇文章提出了一种双极化棋盘状自互补天线的电路模型，利用该电路模型快速优化阵列单元的反射系数，最终设计出一款实现超宽带低散射特性的相控阵。但该篇文章在优化天线的散射时，只考虑了天线的模式项散射，并未对天线的结构项散射有具体的分析。此外设计者没有为这款天线设计出合适的馈电结构，仅考虑了理想情况下的天线辐射特性。因此该款天线的工程实现仍是一大挑战。