一种基于交指电容加载的相控阵天线及RCS缩减方法与流程

一种基于交指电容加载的相控阵天线及rcs缩减方法
技术领域
1.本发明属于雷达技术领域，涉及一种基于交指电容加载的相控阵天线rcs缩减方法。


背景技术：

2.作为新一代体制代表的多功能有源相控阵雷达系统，不仅要有远的作用距离、高的灵敏度和大的信息容量，而且还必须具有隐身特征，才能在保障其基本战术性能的前提下，有效增强对抗敌方侦察和随之而来的干扰的能力，以取得在未来战场上的主动权；否则，还是延续传统的观念单纯通过依赖增大相控阵雷达系统的辐射功率和增加相控阵天线的孔径来提高作用距离只会使自身更容易暴露。同时，为应对敌方有源探测系统的威胁，对作战飞机隐身性能的要求越来越高，其配装的有源相控阵雷达天线是现代战机的重要组成部分，并且作为战机头部三大强散射源之一，其隐身性能的好坏直接影响战机整体的隐身性能，具有举足轻重的作用。
3.相控阵天线的电磁散射控制有其特殊性，相控阵雷达首先要具备在复杂电磁环境下的强大探测能力，其相控阵天线辐射特性要实现高增益、宽频带、超低副瓣等，同时又要实现低rcs特性。相控阵天线既要控制散射特性，又不能降低天线辐射效率和增益，是相控阵天线设计的关键技术难点。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的难题，本发明提供了一种基于交指电容加载的相控阵天线，所述相控阵天线包括金属基板3和位于金属基板3之上的介质基板2，介质基板2的上表面设有两个对称的辐射贴片1，每个辐射贴片1的外边缘设有交指电容11，金属基板3、介质基板2和辐射贴片1之间通过相控阵天线内设置的同轴线4馈电。
5.进一步地，所述同轴线4包括贯穿介质基板2的第一内导体41、贯穿介质基板2和金属基板3的第二内导体42、包裹住第二内导体42下端并穿过金属基板3的第二外导体43；所述第一内导体41下端位于介质基板2和金属基板3的交界面上，第二内导体42下端位于金属基板3的底面；所述第一内导体41和第二内导体42的上端分别与辐射贴片1的内边缘连接。
6.本发明还提供了一种相控阵天线的rcs缩减方法，利用上述任意一项基于交指电容加载的相控阵天线实现；通过调节交指电容上的交指间隙来实现相控阵天线的rcs缩减，即所述相控阵天线通过交指电容加载在保持rcs理论模型的结构项散射不变的情况下改变模式项散射。
7.进一步地，所述rcs理论模型具体为：
[0008][0009]
其中，e
out
为相控阵天线的总rcs，
为模式项散射，为结构项散射，表示当满足表示当满足且m≠n时的散射场，表示当满足时的散射场；表示第n个单元处于开路状态，表示第m个单元的散射能量为0；n表示天线的总单元数；表示第n个单元的无源反射系数，表示在有入射场作用下第p个单元的端口入射信号耦合到第n个单元的能量重新辐射的传输系数；表示在有入射场作用下天线的第p个单元的端口入射信号耦合到第q个单元的能量重新辐射的传输系数；t
nq
表示t
nq
为矩阵t的第n行第q列的元素，其中矩阵t＝[p]-1
[0010]
p＝r-1
s
[0011][0012]
其中，r
np
为阵列接收时负载传输系数(n≠p)/无源反射系数(n＝p)，表示纯辐射问题下p单元端口入射信号耦合到n单元的能量重新辐射的传输系数。
[0013]
进一步地，调节交指电容上的交指间隙为0.1mm。
[0014]
本发明与现有技术相比，其有益效果如下：
[0015]
本发明提出的一种基于交指电容加载的相控阵天线及rcs缩减方法，在保证辐射特性的基础上实现rcs的缩减，结构简单，易于实现。
附图说明
[0016]
图1为实施例一的基于交指电容加载的相控阵天线的模型示意图。
[0017]
图2为实施例二的基于交指电容加载的相控阵天线的模型的交指间隙示意图。
[0018]
图3为实施例二的基于交指电容加载的相控阵天线的模型的全波仿真驻波对比图
[0019]
图4为实施例二的全波仿真的增益对比图。
[0020]
图5为实施例二的全波仿真的rcs对比图。
[0021]
图6为实施例二的计算得到的rcs变化量结果对比图。
具体实施方式
[0022]
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
[0023]
实施例一
[0024]
如图1所示，本实施例提供了一种基于交指电容加载的相控阵天线，所述相控阵天线包括金属基板3和位于金属基板3之上的介质基板2，介质基板2的上表面设有两个对称的辐射贴片1，每个辐射贴片1的外边缘设有交指电容11，金属基板3、介质基板2和辐射贴片1之间通过相控阵天线内设置的同轴线4馈电。
[0025]
所述同轴线4包括贯穿介质基板2的第一内导体41、贯穿介质基板2和金属基板3的第二内导体42、包裹住第二内导体42下端并穿过金属基板3的第二外导体43；所述第一内导
体41下端位于介质基板2和金属基板3的交界面上，第二内导体42下端位于金属基板3的底面；所述第一内导体41和第二内导体42的上端分别与辐射贴片1的内边缘连接。
[0026]
实施例二：
[0027]
本实施例以实施例一为基础，提供了一种相控阵天线的rcs缩减方法，通过调节交指电容上的交指间隙来实现相控阵天线的rcs缩减，即所述相控阵天线通过交指电容加载在保持rcs理论模型的结构项散射不变的情况下改变模式项散射。
[0028]
在常规天线散射问题的研究中，人们常常将rcs分解为结构散射项和模式散射项两类，并认为结构散射项和模式散射项的总和即为天线的总rcs。
[0029]
但在本实施例的研究过程中，我们发现阵列天线的散射问题远比单天线的散射问题复杂，不能简单地将天线的总rcs分解为结构模式项和孤立单元组成的天线模式项。
[0030]
通过本发明详细深入的研究，我们得到阵列天线的rcs理论模型应该用下述公式表示，这里包含了阵列天线单元之间的互耦因素。
[0031][0032]
上式中求和项是阵列天线散射问题的特有项，阵列的结构项，表明了在研究阵列天线散射问题时，人们之前采用的方法(忽略了单元之间的互耦影响)存在较大的误差。
[0033]
其中，e
out
为相控阵天线的总rcs，为模式项散射，为结构项散射，表示当满足表示当满足且m≠n时的散射场，表示当满足时的散射场；表示第n个单元处于开路状态，表示第m个单元的散射能量为0；n表示天线的总单元数；表示第n个单元的无源反射系数，表示在有入射场作用下第p个单元的端口入射信号耦合到第n个单元的能量重新辐射的传输系数；表示在有入射场作用下天线的第p个单元的端口入射信号耦合到第q个单元的能量重新辐射的传输系数；t
nq
表示t
nq
为矩阵t的第n行第q列的元素，其中矩阵t＝[p]-1
[0034]
p＝r-1
s
[0035][0036]
其中，r
np
为阵列接收时负载传输系数(n≠p)/无源反射系数(n＝p)，表示纯辐射问题下p单元端口入射信号耦合到n单元的能量重新辐射的传输系数。
[0037]
同时，通过该模型也可以得出结论：通过采用适当的方式，调控天线单元之间的互耦，可以实现阵列天线的零后向散射。
[0038]
这里我们采用了交指电容加载的强耦合天线阵形式来进行本发明的验证，如图1
所示，在经过等效电路计算后，这里选取的两个模型是图2所示，对应的交指电容缝隙宽度分别是0.1mm(模型一)和0.2mm(模型二)，分别称为阵列1和阵列2的单元。
[0039]
由于交指电容缝隙宽度变化很小，当平面波入射到该单元上时，其散射场中的结构散射项变化可以忽略。因此，仿真得到的rcs变化量均是由天线的模式项引起的。
[0040]
天线模式项随驻波比的变化而变化，但在仿真中可以得到单元的有源驻波比，因此可以通过天线的有源反射系数计算得到由驻波比变化带来的rcs变化量。天线模式项rcs可以由如下公式计算：
[0041][0042]
其中，σ
ant
为天线模式项rcs，λ为工作波长，g为天线增益，γ为天线的有源反射系数在仿真中，我们从大量仿真结果中，提取两个状态来考察rcs缩减效果。两个状态分别为：
[0043]
由于阵列1和阵列2单元结构基本上完全一样，仅仅交指电容处有0.1mm的差别，因此具有基本完全一样的结构散射项。
[0044]
阵列1和阵列2的有源驻波比仿真结果如图3所示，两者的有源驻波比有少许不同。
[0045]
由于结构几乎完全一样，阵列1和阵列2的有源单元增益(gain，不是realized gain)几乎完全一样，如图4所示。
[0046]
阵列1和阵列2的rcs全波仿真结果如图5所示，在9ghz时，阵列1和阵列2两个模型以dbsm为单位表示的rcs差距较大。同样的，这里除了阵列1和阵列2单元驻波比不同造成的rcs差别外，根据“零散射”阵列天线的散射矩阵模型可以，还有耦合因素引起的rcs差别。
[0047]
同样为了考察后者的大小，我们将阵列1和阵列2两个模型的rcs仿真结果做了与模型一完全一样的处理。
[0048]
首先，从理论上计算由驻波比变化导致的rcs变化量，结果如图6中的曲线1所示；其次，将阵列1和阵列2两个模型的rcs全波仿真结果，以线性单位相减，得到阵列1和阵列2两个模型的rcs全波仿真结果的差别，然后将结果换算为dbsm单位，结果如图6中的曲线2所示。
[0049]
图6中的曲线1和曲线2的差别代表了由阵列耦合因素引起的rcs缩减值。
[0050]
因此，从该模型中我们也可以得到结论，阵列1和阵列2两个模型的rcs仿真结果在9.5ghz附近出现反转，高于该频率时，由单元之间的耦合导致的rcs缩减量最大约4db，在9.5～15ghz频段，该rcs缩减量平均约2db左右。
[0051]
从模型一和模型二的对比我们可以看到，不同调控互耦的方法对缩减rcs的效果差距很大，根据“零散射”阵列模型可以，这实际上是由于单元间互耦的不同造成的。
[0052]
本发明首先提出了包含耦合效应的相控阵天线散射场理论模型，该模型更具完备性，可更有效地指导相控阵天线rcs缩减技术的实施以及低rcs相控阵天线的设计，这对相控阵雷达隐身性能的提升非常重要；然后基于该理论模型设计了一种基于交指电容加载的相控阵天线rcs缩减方法，该方法在不影响天线结构项散射的条件下缩减天线的模式项散射，是一种易于实现的新型rcs缩减技术，可应用于现有的相控阵天线阵列。
[0053]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。