一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构及设计方法

1.本发明涉及微波天线设计技术领域，主要涉及一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构及设计方法。


背景技术：

2.在现代电子战中，飞机、火箭、舰船等作战平台的隐身性能往往直接影响着它们的作战能力以及生存能力，通过各种手段使得己方目标的可探测信息特征得以改变，最大可能让敌方设备探测不到甚至错误识别成其他目标达到“隐真示假”的目的。
3.目前针对天线阵列的隐身设计大多是采用无源相消技术，或是加载频率选择表面天线罩进行滤波，或是在天线周围/地板加载超表面结构进行吸波/相位相消
……
此类设计方法一旦实施，天线的散射方向图便是固定的，已渐渐无法适应当今波谲云诡的战争。这就需要进一步转化设计思路，引入编码的思想，让天线能够在工作频段切换出不同的散射波束方向图甚至达到散射波束可调控，实现“隐真示假”的效果，这对于进一步提高己方设备的生存能力具有很重要的研究意义。
4.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。
5.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。
6.现有技术中文献li b,liu s b,shi h y,yang c,chen q,zhang a x.planar phase gradient metasurface antenna with low rcs[j].ieee access,2018,6:78839-788450，以具有非谐振模式的贴片作为基本单元，将不同排列的"3
×
3"的小子阵，再将这些小子阵周期排列成具体形式的相位梯度，就可以实现较宽频带内的rcs减缩效果。但是目前对于相位梯度的天线阵列隐身设计，均是将相位梯度超表面作为附件加载至天线周围，不仅需要将二者分开设计，还会增大天线的尺寸。


技术实现要素：

[0007]
发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构及设计方法，旨在尽可能在实现天线rcs缩减时保证其正常的辐射特性，同时通过编码超表面方法来增大散射方向图的自由度。
[0008]
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0009]
一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构，包括依序压合在一起的金属贴片层、第一中间介质层、金属地板层、第二中间介质层、馈电网络层、第三中间介质层和直流偏置网络层；
[0010]
所述金属贴片层包括若干矩形贴片单元，每个贴片单元下表面均通过第一馈电柱沿竖直方向连接至馈电网络层；所述馈电网络层采用并联馈电网络，通过同轴馈电方式为贴片单元进行供电；所述第一馈电柱两侧各设置一根第二馈电柱，连接贴片单元和直流偏置网络层；所述金属地板层在对应位置设置有若干空隙，用于穿过第一馈电柱和第二馈电柱；所述直流偏置网络层包括若干相互平行的直线金属条，通过第二馈电柱为金属贴片层提供偏置电流。
[0011]
进一步地，所述矩形贴片单元包括以下两种结构；
[0012]
(1)包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度的缺口；在上下缺口两侧分别沿平面x轴方向设有连接第一方形环和第二方形环的pin二极管，且pin二极管方向由第二方形环指向第一方形环；
[0013]
(2)包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度的第一缺口；沿平面x轴方向左右两边分别对称设有相同长度的第二缺口；沿第一缺口方向上下两侧分别设置连通缺口的pin二极管，pin二极管方向相同；
[0014]
馈电网络层的同轴馈电点与中心贴片的轴心不重合。各pin二极管垂直映射到直流偏置网络层的金属条上，由直流偏置网络层提供偏置电流。
[0015]
进一步地，所述馈电网络层根据矩形贴片单元个数，通过功分器为矩形贴片单元供电。
[0016]
进一步地，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层均采用聚四氟乙烯f4b材料制成，介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001；所述金属贴片层、金属地板层、馈电网络层和直流偏置网络层均采用电导率σ＝5.8
×
107s/m的铜材料制成。
[0017]
一种用于设计上述基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构的方法，包括以下步骤：
[0018]
步骤s1、基于需求和理论公式设计天线矩形贴片单元的原始理论尺寸；
[0019]
步骤s2、采用同轴馈电方式，根据同轴馈电点位置的理论计算公式推导出两个贴片单元的同轴金属馈电柱的初步位置，即同轴馈电点与中心点之间的距离，并通过仿真优化参数得出最佳位置；
[0020]
步骤s3、通过调整矩形贴片单元的结构类型和不同结构中方形环尺寸、缺口位置，使设计的编码超表面天线阵列结构在四个二极管通断状态下交叉极化的散射相位满足180
°±
37
°
的相位差；
[0021]
步骤s4、通过分析电流和端口的阻抗匹配情况，进一步调整中心矩形贴片和外侧两个方形环的尺寸，来优化编码超表面天线阵列结构的辐射特性；
[0022]
步骤s5、基于金属贴片层的矩形贴片单元排布方式，采用wilkinson功分器模型设计出同轴馈电网络，并设计相应的同轴馈电网络结构；
[0023]
步骤s6、基于矩阵贴片单元个数，设计相应的直流偏置网络层，用于给各开关二极
管供电；
[0024]
步骤s7、将金属贴片层结构、馈电网络层和直流偏置网络层结合起来进行仿真优化；
[0025]
步骤s8、将优化后的金属贴片层、馈电网络层和直流偏置网络层分别用中间介质层进行间隔组合，依次压制，并组装第一馈电柱和第二馈电柱，获得设计完成的编码超表面天线阵列结构。
[0026]
进一步地，所述步骤s5中采用wilkinson功分器模型设计馈电网络层具体方法如下：
[0027]
步骤s5.1、根据金属贴片层中矩形贴片单元规格m*m将矩形贴片单元划分为m/4个2*2的一级小子阵，对一级小子阵中的天线单元进行等分馈电；
[0028]
步骤s5.2、进一步将一级小子阵划分为m/16个4*4的二级大子阵；对二级大子阵进行功分馈电；
[0029]
步骤s5.3、对馈电网络各级子阵的连接处进行切角处理，在同轴金属柱对应所在位置挖去半径为0.5mm的孔洞。
[0030]
有益效果：
[0031]
本发明设计的基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构具有可灵活调控散射波束的散射特性，旨在解决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的问题。
[0032]
通过引用编码超表面的思想，随机控制超表面天线阵列中每个单元开关二极管的通“0”与断“1”，将参考天线的单个主瓣散射波束实时分散至其他无威胁的角度，在保证天线辐射性能基本不受到干扰的情况下，既能达到天线带内外隐身的目的又能呈现出不同的动态散射效果，对于天线隐身设计领域具有重要的研究意义。
附图说明
[0033]
图1为本发明基于相位梯度的编码超表面天线阵列的整体三维剖面图；
[0034]
图2为本发明基于相位梯度的编码超表面天线阵列的侧视示意图；
[0035]
图3为本发明实施例中第一种金属贴片单元的结构俯视图；
[0036]
图4为本发明实施例中第二种金属贴片单元的结构俯视图；
[0037]
图5为本发明相位梯度超表面天线阵列s11的对比曲线图；
[0038]
图6为本发明相位梯度超表面天线阵列增益方向的对比曲线图；
[0039]
图7为本发明相位梯度超表面天线阵列在x极化下单站rcs对比曲线图；
[0040]
图8为本发明相位梯度超表面天线阵列在y极化下单站rcs对比曲线图；
[0041]
图9为本发明相位梯度超表面天线阵列在y极化下散射谐振点处双站rcs对比曲线图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
本实施例中以8*8的超表面天线阵列为例介绍具体结构，具体如图1-2所示，包括依序压合在一起的金属贴片层1、第一中间介质层51、金属地板层2、第二中间介质层52、馈电网络层3、第三中间介质层53和直流偏置网络层4。
[0044]
金属贴片层1包括若干矩形贴片单元，每个贴片单元下表面均通过第一馈电柱7沿竖直方向连接至馈电网络层3。馈电网络层采用并联馈电网络，根据矩形贴片单元个数，通过功分器以同轴馈电方式为贴片单元进行供电。第一馈电柱7两侧各设置一根第二馈电柱6，在竖直方向连接贴片单元和直流偏置网络层。金属地板层在对应位置设置有若干空隙，用于穿过第一馈电柱和第二馈电柱。直流偏置网络层包括若干相互平行的直线金属条，通过第二馈电柱为金属贴片层提供偏置电流。
[0045]
如图2所示，本实施例中第一中间介质层51、第二中间介质层52和第三中间介质层53均采用120mm*120mm的f4b聚四氟乙烯材料，其介电常数为2.65，损耗角正切值等于0.001。其中第一中间介质层51的厚度为1.6mm，第二中间介质层52的厚度为0.4mm，第三中间介质层53的厚度为0.4mm。金属贴片层1、金属地板层2、馈电网络层3和直流偏置网络层4均采用电导率σ＝5.8
×
107s/m的铜材料制成。
[0046]
本实施例采用的金属贴片层包括两种结构，具体如下：
[0047]
(1)如图3所示，包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度l2的缺口。小方环的外环尺寸为w3，内环尺寸为w2，大方环的外环尺寸为w4，内环尺寸为w5，在上下缺口两侧分别沿平面x轴方向设有连接第一方形环和第二方形环的pin二极管，且pin二极管方向由第二方形环指向第一方形环。天线采取的是同轴馈电方式，同轴馈电点与中心点之间的距离为g。
[0048]
(2)如图4所示，包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度l2的第一缺口。沿平面x轴方向左右两边分别对称设有相同长度w6的第二缺口。沿第一缺口方向上下两侧分别设置连通缺口的pin二极管，pin二极管方向相同。天线采取的是同轴馈电方式，同轴馈电点与中心点之间的距离为g1。
[0049]
各pin二极管垂直映射到直流偏置网络层的金属条上，由直流偏置网络层提供偏置电流。本实施例中采用的pin二极管型号为macom madp-000907-14020，其在导通状态时等效于一个值为20nh的电感元件与一个7ω的电阻串联。在断开状态时等效于一个值为20nh的电感元件与一个25ff的电容串联。
[0050]
本实施例中给出了相位梯度编码超表面天线单元尺寸参数，如表1所示：
[0051]
表1相位梯度编码超表面天线单元尺寸参数表
[0052][0053]
下面提供一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构的设计方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤s1、基于需求和理论公式设计天线矩形贴片单元的原始理论尺寸。
[0055]
步骤s2、因为天线的散射主要分为模式项散射以及结构模式项散射，为了避免天线阵列馈电网络对于天线rcs的影响，故选择在天线下层采用同轴馈电方式，根据同轴馈电
点位置的理论计算公式推导出同轴金属馈电柱的初步位置，并通过仿真优化出最佳位置。
[0056]
步骤s3、通过调整矩形贴片单元的结构类型和不同结构中方形环尺寸、缺口位置，使设计的编码超表面天线阵列结构在四个二极管通断状态下交叉极化的散射相位满足180
°±
37
°
的相位差。据此设计出两个结构不同的谐振双环，其中一个是有两个开口且开口在竖直方向上的谐振双环，四个pin管在两个缺口的两边并由外环指向内环分布；另一个是有四个开口且分别在竖直和水平方向上均有两个开口的谐振双环，四个pin管位于竖直方向上的、两个开口的内外环上，并由竖直方向开口的一端指向同环的另一端。
[0057]
步骤s4、通过分析电流和端口的阻抗匹配情况，进一步调整矩形贴片单元和外侧方形环的尺寸，优化编码超表面天线阵列结构的辐射特性。
[0058]
步骤s5、根据8*8的天线排布方式，采用wilkinson功分器模型设计出同轴馈电网络，并设计相应的同轴馈电网络结构。具体地，
[0059]
步骤s5.1、首先将64个矩形贴片单元划分为十六个2
×
2的一级小子阵，对一级小子阵中的天线单元进行四路等分馈电。
[0060]
步骤s5.2、进一步将一级小子阵划分为四个2
×
2的二级大子阵。对二级大子阵进行一分四功分馈电。
[0061]
步骤s5.3、为了减小高频电路中的线损，需要对馈电网络各级子阵的连接处进行切角处理。为了将馈电网络层与同轴金属柱隔离开，需要在连接辐射贴片层和馈电网络层的同轴金属柱周围挖去一个内半径为0.25mm，外半径为0.75mm的同心环孔洞，其中孔洞分别由穿插过各层的介质填充，但穿插过金属地板层的孔洞由空气填充。
[0062]
步骤s6、根据64个直流偏置点设计相应的直流偏馈网络以给开关pin二极管供电。
[0063]
步骤s7、将金属贴片层结构、馈电网络层和直流偏置网络层结合起来进行仿真优化。
[0064]
步骤s8、将优化后的金属贴片层、馈电网络层和直流偏置网络层分别用中间介质层进行间隔组合，依次压制，并组装第一馈电柱和第二馈电柱，获得设计完成的编码超表面天线阵列结构。
[0065]
为了便于理解以及更直观地说明，本发明结合cst studio 2018仿真结果进行进一步描述说明：
[0066]
对于本发明天线与参考天线的回波损耗随频率变化的曲线进行仿真计算，从图5中可以看出设计出的五款相位梯度超表面天线阵列工作频段基本是重合的，其s11小于-10db的谐振带宽覆盖了8.2～9.0ghz频段，符合x波段隐身天线设计所需的频段要求。单个超表面天线的工作谐振点在9.0ghz左右，而经过8
×
8组阵之后天线阵列的谐振频点往低频处频偏了500mhz在8.5ghz附近。这是由于组阵时考虑使用同轴金属柱负责连接第一层金属贴片层与馈电网络以及偏置网络层，同轴金属柱的加载增加了电流的流经路径，从而使得整个阵列的工作频带往低频处频偏。在天线工作频带附近出现的其他s11小于-10db的谐振点则是因为馈电网络与天线之间没有完全匹配所致。此外，相较于两个参考天线，三种低rcs布局的天线阵列在谐振频点8.5ghz处的s11均达到了-24db以下。从图6中的五款天线在谐振点8.5ghz处增益对比曲线也可以看出，这五种状态下相位梯度超表面天线阵列的方向图走势基本吻合，在谐振频点处的增益均大于20db。
[0067]
从图7中可以看出，相较于金属平板的远场rcs随着频率升高而增大的趋势，三款
低rcs天线以及两款参考天线在8.5ghz左右均出现一个散射吸收峰，这主要是采用了50欧姆终端匹配实现的吸波所致。
[0068]
图8为五款天线的单站rcs对比情况，图中实线、点划线以及虚线部分分别代表着00/01/10/11/00/01/10/11布局天线、00/00/01/01/10/10/11/11布局天线、00/00/10/10/01/01/11/11布局天线在y极化波垂直入射的rcs曲线，三角点划线和星划线则分别表示了不同参考天线的远场rcs曲线，可以看出两个参考天线走势基本一致，当频率趋于高频时，rcs的数值也随之逐步上升。三种相位梯度编码超表面均可以在7.5ghz～9ghz范围内实现6db以上的rcs缩减效果，其共同散射谐振点在8.3ghz左右，其中00/01/10/11/00/01/10/11布局天线，在散射谐振点处rcs的最低值可达-14.6dbsm，此时参考天线1、2相应的rcs数值为3.4dbsm、2.6dbsm，相比之下，此种布局方式天线的单站rcs最大缩减量可达18dbsm。00/00/01/01/10/10/11/11布局天线在散射谐振点处rcs的最低值为-14.8dbsm，对比参考天线，其最大rcs缩减量为18.2dbsm，00/00/10/10/01/01/11/11布局天线在散射谐振点处rcs的最低值为-15.8dbsm，对比参考天线，其最大rcs缩减量为19.2dbsm。
[0069]
图9为三款低rcs天线与参考天线在散射谐振点8.3ghz频点处的双站rcs曲线对比图。可以看出对于参考天线而言，散射能量最大的方向为θ＝0
°
，此处为所有单元散射因子同相叠加的结果。对于00/01/10/11/00/01/10/11布局天线而言，最大散射波被偏转至θ＝35
°
角域，00/00/01/01/10/10/11/11布局天线的最大散射波则被偏转至θ＝12
°
角域，而00/00/10/10/01/01/11/11布局天线的最大散射波出现在θ＝-25
°
角域。由于此三种布局的天线主散射峰均一定程度上被异常散射至其他角域，导致了其在θ＝0
°
均得到了理想的散射零点。
[0070]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。