一种基于雷达吸波和散射相消技术的宽角度RCS减缩超表面的制作方法

一种基于雷达吸波和散射相消技术的宽角度rcs减缩超表面
技术领域
1.本发明属于天线rcs减缩技术领域，具体涉及一种基于雷达吸波和散射相消技术的宽角度rcs减缩超表面，可用于对散射特性要求较高的雷达系统。


背景技术：

2.雷达散射截面(rcs)是雷达隐身技术中最关键的概念，它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。随着雷达探测技术的不断发展，雷达隐身技术在现代电子信息系统中扮演着越来越重要的角色，特别是在安全通信领域，如何降低平台自身以及安装在平台上的天线的rcs特性变得至关重要。
3.目前已经被广泛研究并应用的实际场景中的rcs减缩方式包括：电磁吸波结构、极化旋转超表面、人工磁导体、漫散射超表面等rcs减缩超表面。西安电子科技大学张向凡发表的专利“基于双极化van atta阵列的低rcs微带天线”中提出了一种基于双极化van atta阵列的微带天线rcs减缩设计方法，包括辐射单元、同轴馈线和基于双极化van atta阵列改进的2
×
2双极化方阵，所设计的改进型2
×
2双极化方阵由关于辐射单元中心对称分布的四个双极化阵元，和用于连接关于辐射单元中心对称的两个阵元的两对微带连接线组成。由于两对微带连接线具有相同的电长度，从而使得相邻两个金属贴片反射的电磁波极化相反，形成极化相消，实现了低雷达散射截面特性。但是这种结构存在减缩角度稳定性较差，入射电磁波减缩角度相对较窄的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明针对于现有技术的不足，提出了一种基于雷达吸波和散射相消技术的宽角度rcs减缩超表面，能够在极宽的电磁波入射角度内实现良好的rcs减缩效果。
5.为实现上述目的，本发明设计了一种基于雷达吸波和散射相消技术的宽角度rcs减缩超表面，其特征在于：上层介质基板2、金属地板1、下层介质基板3，上层介质基板2的上表面分布有辐射金属贴片11，下层介质基板3的下表面分布有微带馈线网络10，按照上层介质基板2、金属地板1、下层介质基板3由上到下的顺序组合成宽角度rcs减缩超表面天线阵列4；
6.所述宽角度rcs减缩超表面天线阵列4其中的上层介质基板2及上的4个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的2个微带馈线网络10及之间的金属地板1构成第一微带双极化天线阵列41，与第一微带双极化天线阵列41相邻的其中的上层介质基板2及上的4个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的2个微带馈线网络10及之间的金属地板1构成第二微带双极化天线阵列42；
7.所述第一微带双极化天线阵列41其中的上层介质基板2及上的2个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的1个微带馈线网络10及之间蚀刻有i型或矩形缝隙5的金属地板1组成第一微带双极化天线子阵列411，与第一微带双极化天线子阵列411相邻的两个辐射金属贴片11和下面相对的1个微带馈线网络10构成第二微带双极化天线子阵列
412；
8.其中：第一微带双极化天线子阵列411的辐射金属贴片11位于上层介质基板2的上表面，蚀刻有i型或矩形缝隙5的金属地板1位于上层介质基板2的下表面，微带馈线网络10位于下层介质基板3的下表面，微带馈线网络10包括t型或矩形微带馈线9、微带移相功分器7以及集总欧姆电阻6，t型或矩形微带馈线9分别与微带移相功分器7的支路端口相连，微带移相功分器7的合路端口连接在集总欧姆电阻6的两端。通过调整第一微带双极化天线子阵列411和第二微带双极化天线子阵列412的排列间隔和排列布局方式，宽角度rcs减缩超表面天线阵列4能够在宽角度内实现rcs的减缩特性。
9.所述宽角度rcs减缩超表面天线阵列4由第一微带双极化天线阵列41和第二微带双极化天线阵列42按照n
×
m棋盘式交错排布组阵，其中n≥2，m≥2，n和m为整数；
10.所述第二微带双极化天线阵列42由第一微带双极化天线阵列41沿自身阵列中心旋转90
°
得到。
11.所述第二微带双极化天线子阵列412由第一微带双极化天线子阵列411沿自身阵列中心旋转180
°
并沿水平方向平移得到。
12.辐射金属贴片11的形状可以是圆形、方形或矩形，辐射金属贴片11的长度为lg：0.25λ0≤lg≤0.3λ0、宽度为wg：0.25λ0≤wg≤0.3λ0，其中λ0为宽角度rcs减缩超表面天线阵列4中心工作频率对应的真空波长。
13.所述i型或矩形缝隙5由第一i型矩形缝隙51、第二i型矩形缝隙52、第三i型矩形缝隙53和第四i型矩形缝隙54组成，第一i型矩形缝隙51和第二i型矩形缝隙52相互垂直，第三i型矩形缝隙53和第四i型矩形缝隙54相互垂直。
14.所述t型或矩形微带馈线9由第一t型或矩形微带馈线91a、第二t型或矩形微带馈线91b、第三t型或矩形微带馈线92a和第四t型或矩形微带馈线92b组成，第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b相互垂直，第三t型或矩形微带馈线92a和第四t型或矩形微带馈线92b相互垂直。
15.所述微带移相功分器7包括第一微带移相功分器71和第二微带移相功分器72，使用的功分器类型可以为威尔金森功分器或t型功分器，第一微带移相功分器71端口包括合路端口71a、第一支路端口71b和第二支路端口71c，第一微带移相功分器71的第一支路端口71b和第二支路端口71c的端口相位差为θ1：60
°
≤θ1≤120
°
，第二微带移相功分器72端口包括合路端口72a、第三支路端口72b和第四支路端口72c，第二微带移相功分器72的第三支路端口72b和第四支路端口72c的端口相位差为θ2：θ2＝θ1，第二微带移相功分器72由第一微带移相功分器71沿自身中心180
°
镜像对称旋转并沿垂直方向平移得到。
16.所述第一微带双极化天线子阵列411由第一微带双极化天线4111、第二微带双极化天线4112、第一微带移相功分器71、第二微带移相功分器72和集总欧姆电阻6组成，t型或矩形微带馈线(9)的第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b分别与第一微带移相功分器71的第一支路端口71b和第二支路端口71c相连，t型或矩形微带馈线(9)的第三t型或矩形微带馈线92a和第四t型或矩形微带馈线92b分别与第二微带移相功分器72的第一支路端口72b和第二支路端口72c相连，第一微带移相功分器71的合路端口71a和第二微带移相功分器72的合路端口72a连接在集总欧姆电阻6的两端，集总电阻6的电阻阻值为re：0.1r0≤re≤2r0，其中r0＝50ω。
17.所述第一微带双极化天线4111包括金属贴片11、自上而下叠层分布的上层介质基板2、下层介质基板3、蚀刻第一i型或矩形缝隙51和第二i型或矩形缝隙52的金属地板1、第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b，其中金属贴片11印制在上层介质基板2的上表面，蚀刻第一i型或矩形缝隙51和第二i型或矩形缝隙52的金属地板1印制在上层介质基板2的下表面，第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b印制在下层介质基板3的下表面。
18.所述第二微带双极化天线4112由第一微带双极化天线4111沿自身天线中心180
°
镜像对称旋转并沿垂直方向平移得到。
19.所述第一微带双极化天线子阵列411的长度为la：0.9λ0≤la≤1.5λ0，宽度为wa：wa＝0.5la，上层介质基板2的介电常数为ε1：1.8≤ε1≤3.55，厚度为h1：0.016λ0≤h1≤0.08λ0，下层介质基板3的介电常数为ε2：6.5≤ε2≤15，厚度为h2：0.008λ0≤h2≤0.038λ0，所述宽角度rcs减缩超表面天线阵列4的长度为l2：m*l
a-0.05λ0≤l2≤m*la 0.25λ0，宽度为w2：n*l
a-0.05λ0≤w2≤n*la 0.25λ0，其中λ0为中心工作频率对应的真空波长。
20.本发明与现有技术对比，具有以下优点：
21.1.本发明通过将2个微带双极化天线的4个t型或矩形微带馈线与2个微带移相功分器支路端口相连，2个微带移相功分器合路端口连接在集总欧姆电阻两端，能够同时接收θ极化和φ极化入射的电磁波，接收到的入射电磁波从对应的微带双极化天线以共极化和交叉极化的形式发射出去，部分出射电磁波极化方向相反，形成散射相消，与此同时，接收到的电磁波在通过微带馈线上的集总电阻时，由于电阻的损耗，导致出射电磁波的强度减小。通过将雷达吸波和散射相消技术相互结合，共同作用于出射电磁波，最终实现金属平台的低雷达散射截面特性。
22.2.本发明通过添加集总电阻以及优化微带双极化天线的方式提高了超表面的角度稳定性，能够在
±
70
°
的宽角度电磁波入射范围内实现雷达散射截面减缩的效果。
附图说明
23.图1为本发明实施例1的整体结构示意图；
24.图2为本发明实施例1的俯视结构示意图；
25.图3为本发明实施例1的微带双极化天线子阵列俯视示意图；
26.图4为本发明实施例1的微带双极化天线子阵列金属贴片示意图；
27.图5为本发明实施例1的微带双极化天线子阵列蚀刻有两组相互垂直的h型或矩形缝隙的金属地板示意图；
28.图6为本发明实施例1的微带双极化天线子阵列加载集总欧姆电阻的微带馈线网络示意图；
29.图7为本发明实施例4的整体结构示意图；
30.图8为本发明实施例4的俯视结构示意图；
31.图9为本发明实施例5的整体结构示意图；
32.图10为本发明实施例5的俯视结构示意图；
33.图11为本发明实施例1与参考金属板单站rcs随频率变化对比曲线图；
34.参考金属地板在θ极化电磁波垂直照射下，单站rcs随频率变化对比曲线图如图11
(a)所示；
35.参考金属地板在φ极化电磁波垂直照射下，单站rcs随频率变化对比曲线图如图11(b)所示；
36.图12为本发明实施例1与参考金属板在入射电磁波以相同频率斜入射-70
°
照射天线阵列表面，双站rcs随方位角变化对比曲线图。
具体实施方式
37.为详细说明本发明的技术内容，结构特点，及所实现的目的和效果，将实施方式与具体图示结合予以说明：
38.实施例1
39.参照图1，本发明实施例包括上层介质基板2、金属地板1、下层介质基板3，上层介质基板2的上表面分布有辐射金属贴片11，下层介质基板3的下表面分布有微带馈线网络10；按照上层介质基板2、金属地板1、下层介质基板3由上到下的顺序组合成宽角度rcs减缩超表面天线阵列4。
40.参照图2，宽角度rcs减缩超表面天线阵列4其中的上层介质基板2及上的4个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的2个微带馈线网络10及之间的金属地板1构成第一微带双极化天线阵列41，与第一微带双极化天线阵列41相邻的其中的上层介质基板2及上的4个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的2个微带馈线网络10及之间的金属地板1构成第二微带双极化天线阵列42；第一微带双极化天线阵列41和第二微带双极化天线阵列42按照n
×
m棋盘式排布组阵，其中n≥2，m≥2，n和m为整数，其中n＝2,m＝2，宽角度rcs减缩超表面天线阵列4的长度l2为60mm、宽度w2为60mm。
41.上层介质基板2的介电常数ε1为2.2，厚度h1为1.524mm。
42.下层介质基板3的介电常数ε2为10.2，厚度h2为0.635mm，宽角度rcs减缩超表面天线阵列4中心工作频率对应的真空波长λ0为31.25mm。
43.第一微带双极化天线阵列41其中的上层介质基板2及上的2个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的1个微带馈线网络10及之间蚀刻有i型或矩形缝隙5的金属地板1组成第一微带双极化天线子阵列411，与第一微带双极化天线子阵列411相邻的两个辐射金属贴片11和下面相对的一个微带馈线网络10构成第二微带双极化天线子阵列412；
44.第一微带双极化天线子阵列411的辐射金属贴片11位于上层介质基板2的上表面，蚀刻有i型或矩形缝隙5的金属地板1位于上层介质基板2的下表面，微带馈线网络10位于下层介质基板3的下表面，微带馈线网络10包括t型或矩形微带馈线9、微带移相功分器7以及集总欧姆电阻6，t型或矩形微带馈线9分别与微带移相功分器7的支路端口相连，微带移相功分器7的合路端口连接在集总欧姆电阻6的两端。
45.参照图3，第一微带双极化天线子阵列411由第一微带双极化天线4111、第二微带双极化天线4112、第一微带移相功分器71、第二微带移相功分器72和集总欧姆电阻6组成，第一微带双极化天线4111包括金属贴片11、自上而下叠层分布的上层介质基板2、下层介质基板3、蚀刻第一i型或矩形缝隙51和第二i型或矩形缝隙52的金属地板1、第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b，其中金属贴片11印制在上层介质基板2的上表
面，蚀刻第一i型或矩形缝隙51和第二i型或矩形缝隙52的金属地板1印制在上层介质基板2的下表面，第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b印制在下层介质基板3的下表面。第二微带双极化天线4112是由第一微带双极化天线4111沿自身天线中心180
°
镜像对称旋转并沿垂直方向平移得到。
46.第一微带双极化天线阵列411的长度la为30mm、宽度wa为15mm。
47.参照图4，辐射金属贴片11的形状为方形，长度lg为8.9mm、宽度wg为8.9mm。
48.参照图5，i型或矩形缝隙5由第一i型矩形缝隙51、第二i型矩形缝隙52、第三i型矩形缝隙53和第四i型矩形缝隙54组成，其中第一i型矩形缝隙51和第二i型矩形缝隙52相互垂直，第三i型矩形缝隙53和第四i型矩形缝隙54相互垂直。
49.参照图6，t型或矩形微带馈线9由第一t型或矩形微带馈线91a、第二t型或矩形微带馈线91b、第三t型或矩形微带馈线92a和第四t型或矩形微带馈线92b组成，第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b相互垂直，第三t型或矩形微带馈线92a和第四t型或矩形微带馈线92b相互垂直。
50.所述微带移相功分器7包括第一微带移相功分器71和第二微带移相功分器72，选用的功分器类型为威尔金森功分器，第一微带移相功分器71的第一支路端口71b和第二支路端口71c的端口相位差为θ1为72
°
，第二微带移相功分器72的第三支路端口72b和第四支路端口72c的端口相位差为θ2为72
°
。
51.t型或矩形微带馈线9的第一t型或矩形微带馈线91a和第二t型或矩形微带馈线91b分别与第一微带移相功分器71的第一支路端口71b和第二支路端口71c相连，t型或矩形微带馈线9的第三t型或矩形微带馈线92a和第四t型或矩形微带馈线92b分别与第二微带移相功分器72的第一支路端口72b和第二支路端口72c相连，第一微带移相功分器71的合路端口71a和第二微带移相功分器72的合路端口72a连接在集总欧姆电阻6的两端，集总电阻6的电阻阻值为re为50欧姆。
52.实施例2
53.本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：
54.上层介质基板2的介电常数ε1为2.2，厚度h1为1.5mm。
55.下层介质基板3的介电常数ε2为10.2，厚度h2为0.5mm。
56.金属贴片11的长度lg为8.7mm、宽度wg为8.7mm。
57.集总欧姆电阻6的电阻阻值re为75欧姆。
58.实施例3
59.本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：
60.上层介质基板2的介电常数ε1为2.0，厚度h1为1.2mm。
61.第一微带双极化天线阵列411的长度la为40mm、宽度wa为20mm。
62.金属贴片11的长度lg为9.1mm、宽度wg为9.1mm。
63.第一微带移相功分器71的第一支路端口71b和第二支路端口71c的端口相位差为θ1为80
°
，第二微带移相功分器72的第三支路端口72b和第四支路端口72c的端口相位差为θ2为80
°
。
64.集总欧姆电阻6的电阻阻值re为25欧姆。
65.实施例4
66.本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：
67.参照图7、图8，宽角度rcs减缩超表面天线阵列4由第一微带双极化天线阵列41和第二微带双极化天线阵列42按照n
×
m棋盘式交错排布组阵，其中n≥2，m≥2，n和m为整数，其中n＝m＝3。
68.宽角度rcs减缩超表面天线阵列4的长度l2为90mm、宽度w2为90mm。
69.实施例5
70.本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：
71.参照图9、图10，宽角度rcs减缩超表面天线阵列4由第一微带双极化天线阵列41和第二微带双极化天线阵列42按照n
×
m棋盘式交错排布组阵，其中n≥2，m≥2，n和m为整数，其中n＝2，m＝3。
72.宽角度rcs减缩超表面天线阵列4的长度l2为90mm、宽度w2为60mm。
73.以下结合实施例1仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
74.1、仿真条件及内容：
75.1.1参考图1，
76.所设计的基于雷达吸波和散射相消技术的宽角度rcs减缩超表面包括上层介质基板2、金属地板1、下层介质基板3，上层介质基板2的上表面分布有辐射金属贴片11，下层介质基板3的下表面分布有微带馈线网络10，按照上层介质基板2、金属地板1、下层介质基板3由上到下的顺序组合成宽角度rcs减缩超表面天线阵列4；
77.宽角度rcs减缩超表面天线阵列4其中的上层介质基板2及上的4个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的2个微带馈线网络10及之间的金属地板1构成第一微带双极化天线阵列41，与第一微带双极化天线阵列41相邻的4个辐射金属贴片11和下面相对的2个微带馈线网络10构成第二微带双极化天线阵列42；
78.第一微带双极化天线阵列41其中的上层介质基板2及上的2个辐射金属贴片11和下面相对的下层介质基板3及上的1个微带馈线网络10及之间蚀刻有i型或矩形缝隙5的金属地板1组成第一微带双极化天线子阵列411，与第一微带双极化天线子阵列411相邻的两个辐射金属贴片11和下面相对的一个微带馈线网络10构成第二微带双极化天线子阵列412；
79.第一微带双极化天线子阵列411的辐射金属贴片11位于上层介质基板2的上表面，蚀刻有i型或矩形缝隙5的金属地板1位于上层介质基板2的下表面，微带馈线网络10位于下层介质基板3的下表面，微带馈线网络10包括t型或矩形微带馈线9、微带移相功分器7以及集总欧姆电阻6，t型或矩形微带馈线9分别与微带移相功分器7的支路端口相连，微带移相功分器7的合路端口连接在集总欧姆电阻6的两端。
80.宽角度rcs减缩超表面天线阵列4由第一微带双极化天线阵列41和第二微带双极化天线阵列42按照n
×
m棋盘式交错排布组阵，其中n≥2，m≥2，n和m为整数，第二微带双极化天线阵列42由第一微带双极化天线阵列41沿自身阵列中心旋转90
°
得到，第二微带双极化天线子阵列412由第一微带双极化天线子阵列411沿自身阵列中心旋转180
°
并沿水平方向平移得到。
81.1.2利用商业仿真软件ansys2020 r2对实施例1的基于雷达吸波和散射相消技术的宽角度rcs减缩超表面进行仿真，实施例1与参考金属地板在θ极化电磁波垂直照射下，单
站rcs随频率变化对比曲线图如图11(a)所示，实施例1与参考金属地板在φ极化电磁波垂直照射下，单站rcs随频率变化对比曲线图如图11(b)所示。
82.1.3利用商业仿真软件ansys2020 r2对实施例1和参考金属地板的双站rcs进行仿真计算，实施例1与参考金属地板在相同频率电磁波以斜入射-70
°
照射的双站rcs随方位角变化对比曲线图如图10所示。
83.2、仿真结果：
84.参照图11(a)和图11(b)，横坐标为频率，纵坐标为单站rcs，当θ极化和φ极化的平面波垂直照射到天线阵列时，对比参考金属地板，实施例1天线阵列的雷达散射截面在9.26-10.1ghz频带内减缩10dbsm以上，最大减缩量达15dbsm，能够在θ极化和φ极化的入射平面波极化情况下，实现金属地板的低雷达截面特性。
85.参照图12，横坐标为相位角，纵坐标为双站rcs，当电磁波以相同频率的斜入射-70
°
照射天线阵列与参考金属地板表面时，对比参考金属地板，双站雷达散射截面能够实现10dbsm以上的减缩，说明在
±
70
°
的宽入射角度范围内实现参考金属地板低雷达散射截面特性。
86.以上描述仅是本发明的一个具体事例，不构成对本发明的任何限制，显然对本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。