[发明专利]基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵

说明书

本发明公开了一种基于电磁超材料加载的超低剖面低散射超宽带相控阵天线，该它在6‑18GHz的宽频带内实现了E面±70°扫描和H面±60°扫描，其剖面高度仅为0.28个高频(18GHz)波长。加载的电磁超材料由开口环周期结构、工字型阻性贴片、相交长条周期结构以及多层宽角阻抗匹配层构成，通过电磁超材料与相控阵天线的一体化设计，实现了相控阵天线在具有超宽带超宽角扫描特性的同时，具有显著低的剖面高度。此外，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，同时相控阵天线的辐射效率保持在95％以上。

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及低剖面、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，剖面较低的，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具有低剖面特性，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。

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。

超材料是一种人工设计其结构组成的材料，它们的性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小，其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长。2008 年 Landy 在超材料的基础上提出了一种吸波超材料，当电磁波入射到吸波超材料时，由于其对电磁波既不反射也不透射的作用，这种材料表现出完全吸收特性。吸波超材料由于其完美电磁波吸收性能性能，为天线的隐身设计打开了新的思路。

在中国专利申请号201110321595.7的专利“基于完全吸收器的低RCS微带天线”中，提出了一种基于吸波超材料的吸波特性而设计出的微带天线，在微带天线地板上加载吸波超材料后，可以使得微带天线RCS缩减8-15dB。但是由于这种微带天线设计本身属于窄带结构，其自身工作频段不宽，难以满足现代雷达系统所要求的超宽带特性，并且也难以实现相控阵的宽角扫描性能。同时，该专利设计的吸波超材料由金属圆环构成，其工作频段较窄，无法应用于具有超宽带特性的天线形式上。

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。