[发明专利]基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线

说明书

本发明公开了一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，特点是基于特征模理论系统化的设计出具有高增益、低交叉极化和大角度扫描的米波共形相控阵天线，对飞艇平台自身的显著特征模式使用多目标优化算法综合出目标方向图，并根据综合结果的电流分布来设计和放置天线单元。本发明提供的米波共形相控阵天线的优点是能够同时满足天线的辐射性能要求、与平台的共形要求以及大角度扫描的要求。在物理层面清晰地展现了平台本身固有的辐射机制，可灵活用于不同平台结构的低频平台相控阵天线设计。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，以电磁特征模理论为基础，提出基于飞艇平台特征辐射模式的米波共形相控阵设计新思路,可为机载平台米波共形相控阵天线研制提供重要理论、方法与技术支撑。

背景技术

现代军事战争中，武器装备远程精确化、智能化、隐身化、无人化趋势明显，而高空飞行器的作战性能很大程度上依赖于其承载的雷达相控阵天线。米波雷达研究在精度更高的分米波和厘米波雷达(如X波段雷达)出现之后被暂时忽略，近年来，米波相控阵雷达作为对抗外形隐身和材料隐身技术、实现对敌目标雷达探测的有效手段之一，又重新受到了重视，因此米波雷达相控阵天线的研究具有重要的军事应用需求。

根据经典天线理论，米波天线的谐振长度与其波长(1～10米)相当，为平台集成化、共形化以及隐蔽性结构设计等方面带来诸多问题。飞行器物理尺寸与低频段低端频率的波长相当，金属平台上的谐振特性增强，谐振电流大大影响平台集成天线阻抗匹配性能及辐射性能。其次，大尺寸的低频段天线往往难以实现低剖面和小型化设计，难以维持飞行器的空气动力学特性、保证天线结构的稳定性。另外，传统的基于电磁全波分析的天线优化设计方法对天线辐射机理的物理解释有限，使得天线工程师不得不凭借设计经验反复优化，从而陷入大量繁杂的调参优化工作。

在申请号为CN202021667918.9的中国专利“一种机载天线和飞行器”中，公开了一种与飞行器的垂直尾翼连接的机载天线，有较好的共形设计。但工作频率为100MHz时最大增益仅为-2.31dBi，且天线尺寸较大。

基于特征模理论的天线设计方法利用了平台自身的谐振特性，增大天线口径，设计出的天线相对于传统天线尺寸减小，辐射效率却得到了极大的提高，并改善对平台气动性能的不良影响、传统平面相控阵雷达天线宽角扫描时性能恶化的问题。另一方面，因为特征模独立于激励源，具有只与电磁结构本身形状、尺寸以及电磁材料特性相关的独特性质，为研究电磁结构本身固有的辐射机制提供了清晰的物理解释。

2014年，Yikai Chen等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表的“Electrically Small UAV Antenna Design Using Characteristic Modes”基于特征模理论设计实现了波束指向可沿三个方间调控的HF频段机载共形天线系统；2019年，Chenghui Wang等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表的“Application of Characteristic Mode Theory in HF Band Aircraft-IntegratedMultiantenna System Designs”基于特征模理论设计了可以同时实现定向辐射波束与全向辐射波束的三频段HF隐身机载共形天线系统。然而，这些设计仅局限于具有固定波束或有限个波束的单天线系统设计。

以上研究概况表明，低频段平台天线的低剖面、共形化设计是当今天线研究领域的热点需求，而基于特征辐射模式的系统化设计方法是解决天线尺寸与辐射性能之间矛盾的有效解决方案。基于以上应用需求，本发明实现了基于平台特征辐射模式的具有波束扫描能力的米波波段共形相控阵，并且还能实现线极化，使其更适用于极化敏感的应用背景。

发明内容