基于三维频率选择结构的双频低雷达散射截面反射阵天线

本发明涉及雷达，具体涉及基于三维频率选择结构的双频低雷达散射截面反射阵天线。

背景技术：

1、随着电子工业、雷达技术的发展，各种高精度、智能化的新型雷达和先进探测器相继问世。雷达隐身的本质就是让雷达无法准确探测目标的回波信号，发展隐身技术，从而提高武器系统生存和防御能力，是迎合现代化战争的迫切需要。当雷达发射的电磁波遇到目标时会发生散射，其后向散射功率即雷达回波功率将返回至雷达处并被雷达天线接收，雷达从而判定目标的存在并确定目标的位置。雷达散射截面是衡量目标电磁散射特性强弱的物理量，降低目标的雷达散射截面，就能降低目标被敌方雷达探测到的概率，大大提升了自身武器装备的防御能力。

2、高增益、方向性强的天线被广泛应用于现代化武器装备和雷达探测系统中，反射阵列天线就属于高增益天线的一种。反射阵列天线由馈源天线和反射阵面组成，反射阵面可对入射电磁波的相位进行调控，使得由馈源发出的球面波转变为均匀平面波，实现高增益的辐射性能。值得一提的是，在实现高增益的同时，反射阵面的电尺寸较大，应用在军事领域时，容易被雷达探测发现，暴露我方目标。因此，低雷达散射截面反射阵列天线的提出具有重大意义。随着科技水平的不断进步，无线通信系统变得越来越复杂，这也给天线提出了越来越高的要求，促使其朝着小型化、多频段等方向发展。相比于单频天线，多频天线能够减少系统中所需天线的数量，从而节约空间和降低成本。因此，研究设计多频反射阵列天线具有重要意义。

3、三维频率选择结构是近年来新兴的一种频率选择表面，通常由具有一定厚度的三维腔体/传输线式结构单元周期排布而成。由于周期单元结构在空间维度上的增加，其对电磁波的调控手段更丰富、自由度更大，可极大提高对电磁波的调控性能。其中，基于平面槽线的三维频率选择结构具有结构简单，易于加工和集成的特点，能够更好地应用于反射阵天线和天线雷达散射截面缩减等领域。

技术实现思路

1、本发明目的：在于提供一种基于三维频率选择结构的双频低雷达散射截面反射阵天线，能够在不同的频率下实现高增益，减少系统中需要的天线数量，降低空间成本，同时使其具有低雷达散射截面的特点，可以在军事领域得到应用。

2、为实现以上功能，本发明设计基于三维频率选择结构的双频低雷达散射截面反射阵天线，基于水平面建立三维坐标系，其中由x轴和z轴所确定的xoz面为水平面，与水平面垂直的轴为y轴，所述反射阵天线由喇叭馈源天线和反射阵列构成，喇叭馈源天线用于发射和接收电磁波，其底面位于xoy面；

3、反射阵列由若干个尺寸、形状、材质相同的反射单元周期排列组成，每个反射单元包含水平结构和竖直结构，水平结构和竖直结构分别由覆盖于厚度相同的矩形介质基板上的金属层构成，水平结构平行于xoz面，竖直结构平行于yoz面，且水平结构、竖直结构均垂直于xoy面；

4、水平结构、竖直结构分别用于对水平极化和垂直极化方向的入射电磁波进行调控，在水平结构沿z轴方向蚀刻第一卡槽和第一金属化通孔阵列，其中第一卡槽上下底边相互平行，第一金属化通孔阵列由沿z轴方向直线排列的预设数量的圆形通孔构成，且各圆形通孔的圆心所连直线与第一卡槽的下底边共线；在竖直结构沿z轴方向蚀刻第二卡槽和第二金属化通孔阵列，其中第二金属化通孔阵列由沿z轴方向直线排列的预设数量的圆形通孔构成，且各圆形通孔的圆心所连直线与第二卡槽的上底边共线，第二金属化通孔中的圆形通孔数量与第一金属化通孔阵列数量相同且位置相互对应，第一卡槽、第二卡槽尺寸相同且位置相互对应，水平结构、竖直结构通过第一卡槽、第二卡槽相互插接在一起，且水平结构、竖直结构插接在一起时，第一金属化通孔阵列、第二金属化通孔阵列相互连接；

5、水平结构上包括在金属层上蚀刻的具有吸收功能的水平吸收槽以及具有移相功能的水平调相槽，竖直结构上包括在金属层上蚀刻的具有吸收功能的竖直吸收槽以及具有移相功能的竖直调相槽；各相邻的反射单元中的水平结构的介质基板相互对接，竖直结构的介质基板相互对接，形成中心对称的反射阵列。

6、作为本发明的一种优选技术方案：水平结构上的水平吸收槽和水平调相槽分别位于第一卡槽两侧，水平调相槽的一端与水平结构的介质基板短边重合；水平调相槽水平吸收槽由两段宽度不等的第一槽线、第二槽线、槽线连接处的第一焊盘，以及第一有耗元件构成，第一槽线的一端与水平结构的介质基板短边重合，从z轴正方向至z轴负方向依次为第一槽线、第一焊盘、第二槽线；第一槽线、第二槽线的中心线共线，且与水平结构的介质基板长边平行，第一槽线、第二槽线通过第一焊盘连接，第一有耗元件位于第一焊盘上，第一有耗元件两侧分别与第一槽线、第二槽线相接；

7、竖直结构上的竖直吸收槽和竖直调相槽分别位于第二金属化通孔阵列两侧，竖直调相槽的一端与竖直结构的介质基板短边重合；竖直吸收槽由三段宽度均不等的第三槽线、第四槽线、第五槽线，以及第三槽线、第四槽线连接处的第二焊盘、第四槽线、第五槽线连接处的第三焊盘，以及第二有耗元件、第三有耗元件构成，第三槽线的一端与竖直结构的介质基板短边重合，从z轴正方向至z轴负方向依次为第三槽线、第二焊盘、第四槽线、第三焊盘、第五槽线；第三槽线、第四槽线、第五槽线的中心线共线，且与竖直结构的介质基板长边平行，第三槽线、第四槽线通过第二焊盘连接，第二有耗元件位于第二焊盘上，第二有耗元件两侧分别与第三槽线、第四槽线相接；第四槽线、第五槽线通过第三焊盘连接，第三有耗元件位于第三焊盘上，第三有耗元件两侧分别与第四槽线、第五槽线相接。

8、作为本发明的一种优选技术方案：反射阵列对不同极化方向的入射电磁波具有不同响应频率，具体为：将电场方向平行于x轴的电磁波定义为水平极化电磁波，将电场方向平行于y轴的电磁波定义为竖直极化电磁波；当入射电磁波为水平极化电磁波时，反射单元中的水平结构工作，此时反射阵天线工作在低频段，当入射电磁波为竖直极化电磁波时，反射单元中的竖直结构工作，此时反射阵天线工作在高频段，通过选择水平吸收槽、竖直吸收槽位置，实现对入射电磁波的相位的调控。

9、作为本发明的一种优选技术方案：第一卡槽和第二卡槽沿z轴方向上的长度分别为水平结构和竖直结构长边长度的一半，第一卡槽和第二卡槽的宽度大于水平结构和竖直结构的介质基板厚度且均匀；第一卡槽与水平结构介质基板交叉处采用按z轴方向等距离排布的第一金属化通孔阵列连接，第二卡槽与竖直结构介质基板交叉处采用按z轴方向等距离排布的第二金属化通孔阵列连接。

10、作为本发明的一种优选技术方案：喇叭馈源天线放置在反射阵列的中心轴线上，在不同的工作频率下，喇叭馈源天线与反射阵列之间的距离不同，水平吸收槽和水平调相槽分别为一段宽度均匀的槽线，其长度由其所在反射单元与喇叭馈源天线的距离决定。

11、有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：

12、(1)反射单元可以对两个极化方向的线极化电磁波进行单独的相位调控，这保证了反射阵天线可以同时工作于两个频率(5ghz和9ghz)，在保证高增益的同时，增加了空间利用率，减少了成本。

13、(2)反射单元的双极化带外吸收特性被反射阵面继承，当入射电磁波为水平极化时，反射阵面可以在1.25ghz-8.8ghz实现-9db的雷达散射截面的缩减，相对带宽分别为150.2％。当竖直极化电磁波照射到反射阵面时，反射阵面可以在1.7ghz-14.2ghz实现-7db的雷达散射截面的缩减，相对带宽分别为157.2％。实现了超宽带的雷达散射截面缩减。