本发明专利技术公开了一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，包括自上而下分布的上层介质板、中层介质板和下层介质板；中层介质板上表面印制有超表面结构，下层介质板上表面印制有金属地板，下表面印制有馈电结构。超表面结构由N×N个超表面模块构成；超表面模块由M×M个基本单元构成。金属地板蚀刻有S×S个缝隙天线阵；缝隙天线阵由T×T个条形缝隙构成，馈电结构由S×S个馈电子单元构成；馈电子单元由T×T个金属条带构成。超表面模块、缝隙天线阵和馈电子单元均按照沿中心顺时针旋转分布；馈电结构在预留的同轴线焊盘处进行同轴馈电。本发明专利技术实现了在不降低天线辐射性能的基础上实现了显著的散射抑制效果。
【技术实现步骤摘要】
一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线
本专利技术属于天线
，涉及一种圆极化阵列天线，具体涉及一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线。
技术介绍
天线是各种无线电子设备不可或缺的外部设备，只有天线正常工作才能保证电子设备整体正常工作，所以天线必须在复杂的电磁环境中稳定有效的收发电磁波，而辐射特性是衡量天线优劣的主要指标，对于低散射载体平台而言，往往还要求其上安装的天线具有良好的散射特性，用来衡量目标雷达散射特性的物理量为雷达截面(RCS)。天线作为一类特殊的散射体，其散射包括两部分：一部分是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场，其是电磁波照射在天线上产生的感应电流二次辐射而引起的散射场，其主要与天线的形态有关；另一部分则是随天线的负载情况变化而变化的天线模式项散射场，其是由于天线的后端负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而引起的与天线辐射性能相关的散射场。天线的低散射设计通常需要在天线的辐射和散射特性之间进行折衷考量，以确保在保证天线性能不受严重影响的同时具有一定的散射抑制效果。圆极化波具有抗多径反射效应以及抑制雨雾的去极化效应的性能，使其在恶劣天气情况中仍可实现良好的电磁波传播特性，此外，在电子对抗中使用圆极化天线还可以干扰和侦察敌方的各种线极化和椭圆极化方式的无线电波，在剧烈摆动或滚动的飞行器上装置圆极化天线，可以在任何状态下都能收到信息,因而圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、遥感、遥测和天文等领域有着广泛的应用前景。人工电磁材料的出现大大丰富了天线的设计方式，但是广义上的电磁超材料一般为三维形式，因其体积和重量等因素的限制难以满足要求空间紧凑的应用场景的需要。电磁超表面是人工电磁材料的二维表征形式，通过精心设计其单元结构可以实现对电磁波幅度、相位和极化等特性的灵活调控。随着对电磁超表面的不断深入研究，针对RCS减缩，提出了如极化转换超表面(PCM)、频率选择超表面(FSS)和超材料吸波器(MMA)等多种超表面结构，实现了显著的RCS减缩效果。但是，以上提及的相关技术在满足高性能RCS减缩效果的同时常难以确保天线的辐射性能不受影响。2019年，ShangyiSun等人在IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters期刊上发表了一篇名为《UltrawidebandHigh-Efficiency2.5-DimensionalPolarizationConversionMetasurfaceandItsApplicationinRCSReductionofAntenna》的论文，该论文将极化转换超表面加载在天线中，仿真结果表明，其设计的天线可在维持天线辐射特性基本不变的情况下实现RCS的减缩，但该PCM仅在4.41-13.15GHz的频率范围内实现了极化转换率(PCR)大于96％，且其天线增益仅提高了0.3dB。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线；采用多谐振结构，将多个有效频段进行组合，拓宽了超表面的工作带宽并提高了极化转换率PCR，将该超表面与圆极化阵列天线集成，大幅度提高了天线工作频带内的增益，同时实现了在宽频带内的RCS减缩。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，包括自上而下分布的上层介质板、中层介质板和下层介质板；中层介质板上表面印制有超表面结构，下层介质板上表面印制有金属地板，下表面印制有馈电结构，实现了圆极化阵列天线和极化转换超表面的集成。超表面结构由N×N个棋盘式排布的超表面模块构成；超表面模块由M×M个L型贴片、方形贴片和曲折条带构成的基本单元构成，N≥2，M≥2。金属地板蚀刻有S×S个棋盘式排布的缝隙天线阵；缝隙天线阵由T×T个条形缝隙构成，馈电结构由S×S个棋盘式排布的馈电子单元构成；馈电子单元由T×T个矩形短条带和矩形长条带构成的金属条带构成，S≥2，T≥2。采用超表面模块按照沿中心顺时针旋转分布，利用相邻超表面模块之间的反相特性可以将散射能量导向至非威胁角域方向，实现了有效的RCS减缩；采用按照沿中心顺时针旋转分布的缝隙天线阵和馈电子单元结构，实现了阵列天线的圆极化辐射。馈电结构在预留的同轴线焊盘处进行同轴馈电。进一步，基本单元包括一组沿对角线对称分布的L型贴片、一组设于L型贴片中沿对角线对称分布的曲折条带和一组设于曲折条带之间的方形贴片，通过多谐振结构，将多个有效频段进行组合，实现超表面的工作带宽的拓展并提高了极化转换率PCR。进一步，L型贴片的弯折内角上设有凸起，通过微扰L型贴片上的感应电流，改善基本单元的频率响应特性，提高极化转换率PCR。进一步，采用曲折条带为框型结构，能够在中频带和高频带内激励起多个谐振点，从而超表面可将中频带和高频带入射波下的散射能量导向至非威胁角域方向，实现宽带RCS减缩性能。采用方形贴片的对角与曲折条带的框型端部对应，方形贴片能够与曲折条带产生耦合效应，改善频带内的频率响应效果，提升极化转换率PCR。进一步，采用长度宽度相同的T×T个条形缝隙，在同轴正常馈电时，每个缝隙结构均能截断感应电流且工作在同一频带，实现阵列天线的有效辐射。进一步，矩形短条带和矩形长条带垂直分布，矩形短条带与条形缝隙对应，同轴线焊盘设在矩形长条带下方。垂直分布的与条形缝隙对应矩形短条带和矩形长条带结构作为天线的馈电结构，能够将通过设在矩形长条带下方的同轴线焊盘馈入的能量有效耦合至缝隙天线中，实现阵列天线的有效辐射。进一步，上层介质板与中层介质板之间的距离小于中层介质板与下层介质板之间的距离。进一步，三层介质板的厚度相同。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：本专利技术克服现有技术存在的不足，提出了一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，首先通过顺序旋转馈电技术设计了一款圆极化阵列天线，该天线在工作频带内具有很宽的轴比带宽；之后设计了一种极化转换超表面，通过采用多谐振结构，将多个有效频段进行组合，实现了在6.7-27.4GHz的宽频率范围内极化转换率(PCR)大于96％的转换效果，将该超表面进行棋盘式排布并加载于天线中，实现了在7.22-30.81GHz的宽频带内超过10dB的RCS减缩，且由于该PCM与天线存在耦合效应而将天线增益在工作频带内平均提高了3.1dB，实现了在不降低天线辐射性能的基础上具有显著的散射抑制效果。该低散射圆极化阵列天线可用于低散射平台的通信、雷达、电子对抗及遥感等场景。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1是本专利技术实施例的整体结构示意图；图2是本专利技术实施例的整体结构侧视图；图3是本专利技术实施例棋盘式排布极化转换超表面结构图；图4是本专利技术实施例超表面基本单元结构图；图5是本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，包括自上而下分布的上层介质板(1)、中层介质板(2)和下层介质板(3)；所述中层介质板(2)上表面印制有超表面结构(4)，所述下层介质板(3)上表面印制有金属地板(5)，下表面印制有馈电结构(6)；/n所述超表面结构(4)由N×N个棋盘式排布的超表面模块(41)构成；所述超表面模块(41)由M×M个L型贴片、方形贴片和曲折条带构成的基本单元(411)构成，N≥2，M≥2；/n所述金属地板(5)蚀刻有S×S个棋盘式排布的缝隙天线阵(51)；所述缝隙天线阵(51)由T×T个条形缝隙(511)构成，S≥2，T≥2；/n所述馈电结构(6)由S×S个棋盘式排布的馈电子单元(61)构成；所述馈电子单元(61)由T×T个矩形短条带(6111)和矩形长条带(6112)构成的金属条带(611)构成；/n超表面模块(41)、缝隙天线阵(51)和馈电子单元(61)均按照沿中心顺时针旋转分布；/n馈电结构(6)在预留的同轴线焊盘(6113)处进行同轴馈电。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，包括自上而下分布的上层介质板(1)、中层介质板(2)和下层介质板(3)；所述中层介质板(2)上表面印制有超表面结构(4)，所述下层介质板(3)上表面印制有金属地板(5)，下表面印制有馈电结构(6)；
所述超表面结构(4)由N×N个棋盘式排布的超表面模块(41)构成；所述超表面模块(41)由M×M个L型贴片、方形贴片和曲折条带构成的基本单元(411)构成，N≥2，M≥2；
所述金属地板(5)蚀刻有S×S个棋盘式排布的缝隙天线阵(51)；所述缝隙天线阵(51)由T×T个条形缝隙(511)构成，S≥2，T≥2；
所述馈电结构(6)由S×S个棋盘式排布的馈电子单元(61)构成；所述馈电子单元(61)由T×T个矩形短条带(6111)和矩形长条带(6112)构成的金属条带(611)构成；
超表面模块(41)、缝隙天线阵(51)和馈电子单元(61)均按照沿中心顺时针旋转分布；
馈电结构(6)在预留的同轴线焊盘(6113)处进行同轴馈电。
2.根据权利要求1所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，所述基本单元(411)包括一组沿对角线对称分布的L型贴片(4111)、一组设于L型贴片(4111)中沿对角线对称分布的曲折条带(4112)和一组设于曲折条带(4112)之间的方形贴片(4113)。
3.根据权利要求2所述的基于极化转换超表面的低RCS高增益圆极化阵列天线，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜文，蒲彦，席延，孙红兵，孙磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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