一种超宽带低剖面低散射曲面相控阵天线的制作方法

1.本发明属于天线工程技术领域，具体为一种超宽带低剖面低散射曲面相控阵天线。


背景技术：

2.随着现代无线技术的快速发展，相控阵天线凭着其波束扫描速度快、方向图赋形灵活、抗干扰能力强、跟踪精度高等优势，被广泛地应用于雷达、通信、传感等领域中，更是成为现代先进武器装备平台上的关键部件之一。在电磁频谱战中，电磁频谱存在泛在感知与精准控制的强烈需求，对频谱提出了超宽带精准感知的需求，因而相对应的电磁收发相控阵天线部件将面临着同时实现超宽带工作、大角度波束覆盖、高极化纯度的技术挑战，同时平台的适装性又对低剖面曲面外形以及低电磁散射等性能需求提出了额外的技术挑战。本发明正是针对相控阵天线超宽带、低剖面、曲面化外形、高极化纯度以及低电磁散射等技术挑战而提出。
3.首先，基于现在信息战中多功能一体化应用，文献“s.s.holland,d.h.schaubert and m.n.vouvakis,《a 7
–
21ghz du-al-polarized planar ultrawideband modular antenna(puma)array》，ieee trans.antennas propag.,vol.60,no.10,pp.4589-4600,oct.2012”中，天线阵列直接采用非平衡馈电方式为水平偶极子进行馈电；由于馈电结构不平衡，两馈电线上存在共模电流；为了将由此产生的带内共模谐振移出带外，该天线在偶极子两臂各额外引入一根短路探针以缩短谐振长度；该馈电结构上没有用到任何外置巴伦和同轴电缆，因此整个阵列可以采用标准多层印制电路板(printed circuit board，pcb)技术实现；通过对一个16
×
16阵列进行实验验证，表明了该天线阵列可以在7～21ghz频段内扫描至
±
45
°
，剖面高度约为0.19个最低工作频率对应的自由空间波长；显然，该天线仅实现了3:1的阻抗带宽比，无法完整覆盖2～18ghz(9:1阻抗带宽比)超宽带应用频段，且该天线结构为平面形式，无法共形集成于曲面载体上。
4.又如，文献“j.zhong,a.johnson,e.a.alwan and j.l.volakis,《dual-linear po-larized phased array with 9:1bandwidth and 60
°
scanning off broadside》，ieee trans.antennas propag.,vol.67,no.3,pp.1996-2001,mar.2019”中，天线单元改进了巴伦的设计，在传统marchand巴伦的基础上添加了蜿蜒线谐振抑制器，将紧耦合天线的带宽提升至9:1阻抗带宽比，覆盖了2～18ghz；这种天线单元结构复杂，由于其高度紧凑集成的平衡式馈电结构，天线的极化纯度优于40db；然而，由于谐振抑制蜿蜒线的存在，该天线的剖面高度约为15mm(0.1个最低工作频率对应的自由空间波长)；该文献中提出的天线结构依然为平面形式，无法共形集成于曲面载体上。
5.又如，申请号为201710515792.x的中国专利“一种强互耦超宽带宽角扫描双极化共形相控阵天线”中，提出了一种基于紧耦合原理的超宽带曲面共形天线，然而其实现的工作带宽仅覆盖6～18ghz(3:1阻抗带宽比)，无法满足9:1阻抗带宽比应用需求。
6.此外，信息化作战平台面临着复杂的电磁环境，为了提高现代电磁频谱战中己方
作战与生存能力，需要发展新型电磁隐身技术；与传统修形、吸波等方式降低平台雷达散射截面(radar cross section，rcs)相比，基于电磁超材料的平台隐身方法具备可不改变平台外形、可与平台表面共形集成、可不附加阻性损耗的优势；因此，新型超宽带、低剖面、低散射电磁超表面具有重要研究意义，可应用于作战平台电磁隐身。
7.基于平台电磁隐身应用，以往的散射缩减电磁超表面结构多采用单层金属贴片图案周期排列构成，其工作频段较窄。例如，文献“y.jia,y.liu,y.j.guo,k.li and s.gong,《broadband polarization rotation reflective surfaces and their applications to rcs reduction》，ieee trans.antennas propag.,vol.64,no.1,pp.179-188,jan.2016”中，采用了具备极化矢量旋转功能的电磁超材料，其单元由上层准l形金属图案、下层金属地板和连接上、下层的金属柱构成；将单元结构进行镜像旋转、间隔排列后，所构成的平面超表面具备103％的相对带宽，但仍无法完整覆盖s波段、c波段、x波段、ku波段(160％相对带宽)；此外，该超表面结构体采用实心介质，无法将目标载体置于超表面结构中，只能贴附在目标载体表面，因此增加了贴附该超表面结构后的目标载体剖面高度。
8.又如，文献“b.wang,x.q.lin,y.fan,y.cai and j.l.liu,《design of broadband wide-angle scatterer surface using artificial dielectric layers》，ieee antennas wirel.propag.lett.,to be published.”中，采用了1层4.9mm厚度的3d打印树脂介质、2层2mm厚度的tf-2介质和金属地板，实现了覆盖4.8～17.5ghz(相对带宽113.9％)的散射缩减超表面；由于采用了介质多层挖孔堆叠、金属/介质多层嵌套结构，该超表面不能实现结构弯曲，且只能贴附在平面目标载体表面，增加了整体剖面高度。
9.现有电磁超表面方案一般采用单层金属贴片单元或多层金属/介质复合结构体单元构成的散射缩减超表面，其工作带宽均未能完整覆盖s波段、c波段、x波段、ku波段(160％相对带宽)，且只能贴附在目标载体表面，这会额外增加加载该散射缩减超表面的目标载体的总剖面高度；此外，现有方案未实现超宽带下曲面平台的散射缩减，不能满足超宽带应用平台对散射缩减结构适装性的需求。
10.也可以发现，现有2～18ghz超宽带相控阵天线实现方案中的天线样机均为平面结构，且现有曲面相控阵天线的工作带宽均未能完整覆盖s波段、c波段、x波段、ku波段(160％相对带宽)，剖面高度较高、极化纯度较低，不具备2～18ghz散射抑制能力。因此，需要将电磁超表面的概念融合进入超宽带低散射曲面阵列的设计中去，充分发挥电磁超表面对电磁波的调控作用，解决新型超宽带天线设计领域的技术难题，使得相控阵天线同时满足超宽带应用平台对天线工作带宽、剖面高度、结构适装性、极化纯度及散射缩减的多维度性能需求。


技术实现要素：

11.本发明的目的是针对隐身平台中超宽带天线带宽拓展、天线与散射缩减结构低剖面集成、超宽带低散射天线曲面化设计等问题，提供一种超宽带低剖面低散射曲面相控阵天线本发明提出对入射电磁波的反射电磁波幅度相同、相位差180
°
的两种超宽带曲面共形天线单元(0
°
与180
°
)，通过两种天线单元的交错排布实现对目标载体的rcs缩减能力、提升天线的辐射极化纯度；同时，通过改进天线单元馈电结构使得天线阵具备超宽带阻抗匹配能力，实现覆盖s波段、c波段、x波段、ku波段(160％相对带宽)的2～18ghz超宽带相控阵天
线设计，且具有低剖面、低散射的优点。
12.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
13.一种超宽带低剖面低散射曲面相控阵天线，包括：呈交错排布的若干个相对0
°
相位响应天线单元与若干个相对180
°
相位响应天线单元；其中，相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元具有相同尺寸、均包括横向上层介质板(1)、横向中层介质板(2)、纵向馈电结构(3)、横向下层金属地板(4)及标准ssmp连接器(5)，所述横向上层介质板、横向中层介质板与横向下层金属地板从上往下依次分隔设置、且横向中层介质板与横向下层金属地板中间均开设空气窗口，所述纵向馈电结构通过空气窗口与横向下层金属地板、横向中层介质板及横向上层介质板固定连接，所述标准ssmp连接器位于横向下层金属地板下方、通过纵向馈电结构为天线单元馈电；其特征在于，
14.所述相对0
°
相位响应天线单元还包括相对0
°
相位响应电磁超表面单元、由第一上层电磁超表面结构(11)与第一中层电磁超表面结构(21)构成，所述第一上层电磁超表面结构(11)为位于横向上层介质板上表面的m1×
n1(x轴
×
y轴)的矩形金属贴片阵列，所述第一中层电磁超表面结构(21)为位于横向中层介质板上表面的空气介质；所述相对180
°
相位响应天线单元还包括相对180
°
相位响应电磁超表面单元、由第二上层电磁超表面结构(12)与第二中层电磁超表面结构(22)构成，所述第二上层电磁超表面结构(12)为位于横向上层介质板上表面的m2×
n2的矩形金属贴片阵列，所述第二中层电磁超表面结构(22)为位于横向中层介质板上表面的m3×
n3的矩形金属贴片阵列；所有相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元共用横向上层介质板(1)、横向中层介质板(2)与横向下层金属地板(4)，形成可弯曲的相控阵天线。
15.进一步的，所述相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元采用相同纵向馈电结构，所述纵向馈电结构包括依次层叠设置的下层金属层(33)、下层介质层(35)、中层金属层(32)、上层介质层(34)、上层金属层(31)；所述下层金属层、下层介质层、中层金属层、上层介质层与上层金属层均开设空气槽，标准ssmp连接器(5)插入空气槽中，馈入信号经过上层金属层的共面波导结构(314)后、通过第一信号通孔(36)传输至中层金属层的带状线结构(323)，再耦合至馈电结构外导体(315与335)，再由第二信号通孔(37)馈入中层金属层的偶极子辐射体(322)，最后经偶极子辐射体(322)及其寄生辐射体(321)耦合至电磁超表面单元，所述偶极子辐射体(322)位于上层电磁超表面结构与中层电磁超表面结构下方、寄生辐射体(321)位于上层电磁超表面结构与中层电磁超表面结构之间。
16.更进一步的，所述纵向馈电结构中还包括交指形结构(312与332)、短路金属带结构(313与333)与宽度渐变双线结构(334)，所述交指形结构(312与332)分别上下对应设置于上层金属层与下层金属层中、均由馈电结构外导体(315与335)引出的u形枝节与金属耦合片结构(311与331)引出的i形枝节组成，其中，i形枝节对插入u型枝节缝隙内；所述短路金属带结构(313与333)分别上下对应设置于上层金属层与下层金属层中、均为由金属耦合片结构(311与331)引出连接到参考地的短路i形枝节；所述宽度渐变双线结构(334)设置于下层金属层中、由参考地引出并通过第二信号通孔(37)连接至偶极子辐射体(322)。
17.进一步的，相对0
°
相位响应天线单元数量为m0，相对180
°
相位响应天线单元数量为n0，m0:n0＝0.5～2。
18.进一步的，所述第一上层电磁超表面结构(11)中，m1的取值范围为3～9，n1的取值
范围为3～9；所述第二上层电磁超表面结构(12)中，m2的取值范围为3～9，n2的取值范围为3～9；所述第二中层电磁超表面结构(22)中，m3的取值范围为1～6，n3的取值范围为3～9。
19.从工作原理上讲：
20.本发明提供一种超宽带低剖面低散射曲面相控阵天线，利用由不同周期性排列的矩形金属贴片阵列分别构成第一上层电磁超表面结构(11)与第一中层电磁超表面结构(21)、第二上层电磁超表面结构(12)与第二中层电磁超表面结构(22)调节超宽带天线单元对入射电磁波的反射幅度/相位响应，使得加载两种不同电磁超表面的超宽带天线单元具备对入射电磁波的反射电磁波幅度相同、反射电磁波相位差180
°
，即形成相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元；当两种天线单元按照一定比例交错(间隔)排列时，反射电磁波在法向及邻近法向方向上反相抵消，由此实现了对目标载体的rcs缩减能力。
21.同时，由不同周期性排列的矩形金属贴片阵列分别构成第一上层电磁超表面结构(11)与第一中层电磁超表面结构(21)、第二上层电磁超表面结构(12)与第二中层电磁超表面结构(22)对线极化电磁波具备极化滤波作用，因此该设计还能够提升相控阵天线的辐射极化纯度。
22.另外，本发明在馈电结构中引入交指形结构(312与332)、短路金属带结构(313与333)与宽度渐变双线结构(334)，交指形结构能够有效抑制带内高频环路谐振，短路金属带结构能够有效抑制带内共模谐振，带内高频环路谐振与共模谐振的消除使得超宽带天线单元具备2～18ghz阻抗匹配能力；而宽度渐变双线结构(334)与寄生金属层结构、弯折形带状线结构匹配又进一步提高天线带内阻抗匹配，提高天线反射损耗，提高辐射效率。
23.综上，本发明的有益效果在于：
24.1.本发明基于电磁超表面对反射电磁波相位调控的概念，匹配馈电结构的创造性改进，实现覆盖s波段、c波段、x波段、ku波段的超宽带低剖面低散射相控阵天线；
25.2.本发明的超宽带低剖面低散射相控阵天线中，针对线极化电磁波，电磁超表面结构本身具备极化滤波功能，因此在降低超宽带天线阵rcs的同时，提升了天线的辐射极化纯度；
26.3.本发明的超宽带低剖面低散射相控阵天线的有效结构体厚度极薄，因此能够实现弯曲形变，即能够贴附在曲面目标载体上、便于与应用平台共形集成。
附图说明
27.图1为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的结构示意图。
28.图2为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的相对0
°
相位响应天线单元的横向上层介质板顶视图。
29.图3为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的相对0
°
相位响应天线单元的横向中层介质板顶视图。
30.图4为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的相对180
°
相位响应天线单元的横向上层介质板顶视图。
31.图5为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的相
对180
°
相位响应天线单元的横向中层介质板顶视图。
32.图6为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的多层纵向介质板的剖视图。
33.图7为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的多层纵向介质板内金属图案结构图。
34.图8为实施例1中基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的相对0
°
相位响应天线单元的有源驻波仿真结果图。
35.图9为实施例2中基于网格状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线的结构示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
37.实施例1
38.本实施例提供一种基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线，其结构如图1所示，包括：呈条纹状交错排布的若干个相对0
°
相位响应天线单元与若干个相对180
°
相位响应天线单元；其中，相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元具有相同尺寸、相似结构：均包括横向上层介质板(1)、横向中层介质板(2)、纵向馈电结构(3)、横向下层金属地板(4)及标准ssmp连接器(5)，所述横向上层介质板(1)、横向中层介质板(2)与横向下层金属地板(4)从上往下依次分隔设置(两两之间均存在空气介质层)、且横向中层介质板与横向下层金属地板中间均开设空气窗口，所述纵向馈电结构(3)通过(穿过)空气窗口与横向上层介质板(1)、横向中层介质板(2)、横向下层金属地板(4)固定连接；
39.所述相对0
°
相位响应天线单元还包括相对0
°
相位响应电磁超表面单元、由第一上层电磁超表面结构(11)与第一中层电磁超表面结构(21)构成，所述第一上层电磁超表面结构(11)为位于横向上层介质板上表面的9
×
9(x轴
×
y轴)的矩形金属贴片阵列、如图2所示，所述第一中层电磁超表面结构(21)为位于横向中层介质板上表面的空气介质、如图3所示；
40.所述相对180
°
相位响应天线单元还包括相对180
°
相位响应电磁超表面单元、由第二上层电磁超表面结构(12)与第二中层电磁超表面结构(22)构成，所述第二上层电磁超表面结构(12)为位于横向上层介质板上表面的3
×
5的矩形金属贴片阵列、如图4所示，所述第二中层电磁超表面结构(22)为位于横向中层介质板上表面的2
×
5的矩形金属贴片阵列、如图5所示；
41.所述相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元采用相同纵向馈电结构，具体结构如6、图7所示，包括依次层叠设置的下层金属层(33)、下层介质层(35)、中层金属层(32)、上层介质层(34)、上层金属层(31)，标准ssmp连接器(5)馈入信号经过共面波导结构(314)后、通过信号通孔(36)传输至带状线结构(323)，再耦合至宽度渐变双线结构(334)与馈电结构外导体(315与335)，再由信号通孔(37)馈入偶极子辐射体(322)，最后经偶极子辐射体(322)及其寄生辐射体(321)耦合至电磁超表面单元(偶极子辐射体(322)位于上层电磁超表面结构与中层电磁超表面结构下方、寄生辐射体(321)位于上层电磁超表面结构与中层电磁超表面结构之间)；进一步引入了交指形结构(312与332)、短路金属带结构(313与333)与宽度渐变双线结构(334)，所述交指形结构(312与332)分别上下对应设置
于上层金属层与下层金属层中、由馈电结构外导体(315与335)引出的u形枝节和金属耦合片结构(311与331)引出的i形枝节组成，其中，i形枝节对插入u型枝节缝隙内；交指形结构可以抑制带内高频环路谐振；所述短路金属带结构(313与333)分别上下对应设置于上层金属层与下层金属层中、均由金属耦合片结构(311与331)引出的短路i形枝节构成，可以抑制带内共模谐振；消除带内高频环路谐振与共模谐振后的超宽带天线单元具备2～18ghz阻抗匹配能力；所述宽度渐变双线结构(334)设置于下层金属层中、由参考地面引出并通过信号通孔(37)连接至偶极子辐射体(322)的，可以进一步提高天线带内阻抗匹配，提高辐射效率；
42.所有相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元共用横向上层介质板(1)、横向中层介质板(2)与横向下层金属地板(4)，形成可弯曲的曲面阵列结构。
43.更为具体的讲，本实施例中，所述超宽带低剖面低散射相控阵天线的整体纵向投影面积为142.500mm
×
138.700mm，天线剖面高度(天线剖面高度定义为横向下层金属地板上表面与天线最高点的距离)为8.345mm，弯曲半径为180.000mm；设相对0
°
相位响应天线单元数量为m0、相对180
°
相位响应天线单元数量为n0，m0:n0＝1.75；横向上层介质板(1)、横向中层介质板(2)厚度均为0.127mm，横向上层介质板(1)与横向中层介质板(2)之间的空气介质层厚度为1.873mm，横向中层介质板(2)与横向底层金属地板(4)之间的空气介质层厚度为6.100mm；工作频段覆盖s波段(2～4ghz)、c波段(4～8ghz)、x波段(8～12ghz)及ku波段(12～18ghz)；
44.相对0
°
相位响应天线单元的整体尺寸为7.500mm
×
7.300mm
×
8.345mm，第一上层电磁超表面结构(11)的矩形金属贴片的面积为0.611mm
×
0.611mm、周期间距为0.811mm(x轴)
×
0.811mm(y轴)；相对180
°
相位响应天线单元的整体尺寸为7.500mm
×
7.300mm
×
8.345mm，第二上层电磁超表面结构(12)的矩形金属贴片的面积为2.233mm
×
1.260mm、周期间距为2.433mm
×
1.460mm；第二中层电磁超表面结构(22)的矩形金属贴片的面积为6.846mm
×
1.260mm、周期间距为7.300mm
×
1.460mm；
45.基于上述基于条纹状交错排布电磁超表面的超宽带曲面阵列天线单元的有源驻波仿真结果如图8所示，由图可见，天线具备2～18ghz工作带宽。
46.实施例2
47.本实施例提供一种基于网格状交错排布电磁超表面的超宽带曲面相控阵天线，其结构如图9所示，其与实施例1的唯一区别在于：相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元的交错排布的方式不同，其中，m0:n0＝1.161；同时，相对0
°
相位响应天线单元与相对180
°
相位响应天线单元的交错排布的形式多样，只要在满足其比例范围下，均能够实现缩减被加载目标载体的rcs的目的，并不局限于条纹交错排布与网格状交错排布。
48.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。