[发明专利]可动态调控散射性能的低RCS编码超表面天线及其设计方法

说明书

本发明公开了一种可动态调控散射性能的低RCS编码超表面天线及其设计方法，天线阵包含：可动态调控散射性能的矩形金属贴片层、第一介质层、金属背板层、第二介质层、用于给天线阵列馈电的同轴馈电网络、第三介质层以及底部直流偏馈网络，依序将上述所有结构层无缝压合在一起；多个同轴金属馈电柱贯穿至同轴馈电网络负责接地；多个偏置金属馈电柱贯穿至直流偏馈网络负责接电源正极。本发明基于相位相消的原理，通过改变开关二极管的“1”通与“0”断状态，改变动态散射金属层的散射相位，进而在保证天线辐射性能的同时，通过随机给不同单元通电实现天线整体的RCS减缩，达到隐身的目的。

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体指代一种可动态调控散射性能的低RCS编码超表面天线及其设计方法。

背景技术

为了提高各类武器装备在当今这种复杂多变的信息化战争中的生存以及竞争能力，就必须着力于研究其隐身技术。天线作为一个特殊的强散射体，单单用常规的降低雷达散射截面积的方法很难有效保证不影响其正常的辐射性能。如何有效减缩天线的RCS一直都是军用雷达探测系统设计的难点问题。同时传统天线设计完成之后其辐射以及散射特性基本固定不变，只能适用于单一的工程应用系统，无法适应如今波谲云诡的战争形势。

编码超表面的概念是由东南大学崔铁军教授课题组于2014年首次提出，他们将数字电路中“0”和“1”的设计思想引入到超表面的设计当中，以1比特为例，通过用“0”和“1”编码分别命名相位相差180^°的两个单元，使得超表面的设计更加灵活。传统天线在设计完成之后其辐射性能以及散射特性基本固定不变，只能适用于单一的工程应用系统。且现有的编码超表面技术大都研究的是超表面结构的RCS减缩，并没有结合天线综合分析。因此，基于编码超表面以及超表面天线的思想，对于天线的辐射特性以及RCS的缩减特性分别进行研究，在保证天线辐射性能基本不受影响的同时，呈现出动态调控天线散射性能的效果，对于天线系统能够适应未来复杂多变的战场形势具有重要意义。

期刊文献：Z.Lin,Z.X.Shen.Absorptive Coding Metasurface WithUltrawideband Backscattering Reduction[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.19,No.7,pp.1201-1205,July 2020；文献结合了吸波以及相位相消两个常见缩减RCS的思想，通过独立设计一层编码超表面和一层吸波体，分别作用于减少高频和低频的后向散射。在编码超表面层和吸波体之间用高频反射频率选择表面作为等效地，同时避免了高频谐波共振带来的不利影响。该结构在1.85-19.2GHz范围内RCS都实现了缩减的效果，但是并没有结合天线分析。

期刊文献：C.Zhang,J.Gao,X.Y.Cao,L.M.Xu,J.F.Han.Low ScatteringMicrostrip Antenna Array Using Coding Artifificial Magnetic Conductor Ground[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.17,No.5,pp.869-872,May2018；该文献先设计了两个不同的AMC单元，然后将它们组合起来，通过编码人工磁导体(AMC)的方式取代传统微带天线阵列的金属板地。研究发现，该新型天线阵列结构的雷达截面(RCS)在6-13.4GHz频带范围内都得到一定程度的缩减，尤其在10GHz下，x极化波以及y极化波垂直入射情况下分别可以得到17和16.65dB的减缩量。虽然该结构考虑了将天线地替换成编码AMC，但是该AMC结构一旦设计出来就是固定的，只能将散射波散射至固定的方向，并不能呈现出动态的散射调控效果。

发明内容