[發明專利]一種基于極化轉換超表面的低RCS高增益圓極化陣列天線

有效

• 申請號: 202110241870.8
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN113013640B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 姜文;蒲彥;席延;孫紅兵;孫磊
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q21/00
• 分類號: H01Q21/00;H01Q21/06;H01Q15/24;H01Q15/00;H01Q1/50;H01Q1/48
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開了一種基于極化轉換超表面的低RCS高增益圓極化陣列天線，包括自上而下分布的上層介質板、中層介質板和下層介質板；中層介質板上表面印制有超表面結構，下層介質板上表面印制有金屬地板，下表面印制有饋電結構。超表面結構由N×N個超表面模塊構成；超表面模塊由M×M個基本單元構成。金屬地板蝕刻有S×S個縫隙天線陣；縫隙天線陣由T×T個條形縫隙構成，饋電結構由S×S個饋電子單元構成；饋電子單元由T×T個金屬條帶構成。超表面模塊、縫隙天線陣和饋電子單元均按照沿中心順時針旋轉分布；饋電結構在預留的同軸線焊盤處進行同軸饋電。本發明實現了在不降低天線輻射性能的基礎上實現了顯著的散射抑制效果。

技術領域

本發明屬于天線技術領域，涉及一種圓極化陣列天線，具體涉及一種基于極化轉換超表面的低RCS高增益圓極化陣列天線。

背景技術

天線是各種無線電子設備不可或缺的外部設備，只有天線正常工作才能保證電子設備整體正常工作，所以天線必須在復雜的電磁環境中穩定有效的收發電磁波，而輻射特性是衡量天線優劣的主要指標，對于低散射載體平臺而言，往往還要求其上安裝的天線具有良好的散射特性，用來衡量目標雷達散射特性的物理量為雷達截面(RCS)。

天線作為一類特殊的散射體，其散射包括兩部分：一部分是與散射天線負載情況無關的結構模式項散射場，其是電磁波照射在天線上產生的感應電流二次輻射而引起的散射場，其主要與天線的形態有關；另一部分則是隨天線的負載情況變化而變化的天線模式項散射場，其是由于天線的后端負載與天線不匹配而反射的功率經天線再輻射而引起的與天線輻射性能相關的散射場。天線的低散射設計通常需要在天線的輻射和散射特性之間進行折衷考量，以確保在保證天線性能不受嚴重影響的同時具有一定的散射抑制效果。

圓極化波具有抗多徑反射效應以及抑制雨霧的去極化效應的性能，使其在惡劣天氣情況中仍可實現良好的電磁波傳播特性，此外，在電子對抗中使用圓極化天線還可以干擾和偵察敵方的各種線極化和橢圓極化方式的無線電波，在劇烈擺動或滾動的飛行器上裝置圓極化天線，可以在任何狀態下都能收到信息,因而圓極化天線在通信、雷達、電子對抗、遙感、遙測和天文等領域有著廣泛的應用前景。

人工電磁材料的出現大大豐富了天線的設計方式，但是廣義上的電磁超材料一般為三維形式，因其體積和重量等因素的限制難以滿足要求空間緊湊的應用場景的需要。電磁超表面是人工電磁材料的二維表征形式，通過精心設計其單元結構可以實現對電磁波幅度、相位和極化等特性的靈活調控。隨著對電磁超表面的不斷深入研究，針對RCS減縮，提出了如極化轉換超表面(PCM)、頻率選擇超表面(FSS)和超材料吸波器(MMA)等多種超表面結構，實現了顯著的RCS減縮效果。但是，以上提及的相關技術在滿足高性能RCS減縮效果的同時常難以確保天線的輻射性能不受影響。2019年，Shangyi Sun等人在IEEE Antennas andWireless Propagation Letters期刊上發表了一篇名為《Ultrawideband High-Efficiency 2.5-Dimensional Polarization Conversion Metasurface and ItsApplication in RCS Reduction of Antenna》的論文，該論文將極化轉換超表面加載在天線中，仿真結果表明，其設計的天線可在維持天線輻射特性基本不變的情況下實現RCS的減縮，但該PCM僅在4.41-13.15GHz的頻率范圍內實現了極化轉換率(PCR)大于96％，且其天線增益僅提高了0.3dB。

發明內容

為解決現有技術中存在的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種基于極化轉換超表面的低RCS高增益圓極化陣列天線；采用多諧振結構，將多個有效頻段進行組合，拓寬了超表面的工作帶寬并提高了極化轉換率PCR，將該超表面與圓極化陣列天線集成，大幅度提高了天線工作頻帶內的增益，同時實現了在寬頻帶內的RCS減縮。

本發明是通過下述技術方案來實現的。