一种基于四维天线阵的带内散射缩减结构及其控制方法技术

本发明专利技术属于天线工程技术领域，公开了一种基于四维天线阵的带内散射缩减结构及其控制方法。本发明专利技术在天线各个单元端口后端依次连接四维T/R组件，特性阻抗为50欧姆的同轴线以及宽频带负载；其中四维T/R组件包括射频开关，移相器和衰减器。通过优化各个单元所连接开关的时间序列，对天线的模式项散射进行动态调控，进而使得天线的总散射场产生周期性变化，并利用单元RCS

【技术实现步骤摘要】
一种基于四维天线阵的带内散射缩减结构及其控制方法


[0001]本专利技术属于天线工程
，涉及一种基于四维天线阵的带内散射缩减结构及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着信息化战争的日渐发展，尤其是雷达探测技术的飞速进步，隐身技术在现代电子战争中占有越来越重要的地位。雷达散射截面(Radar Cross Section)，简称为RCS，是衡量被探测目标隐身性能的重要指标。雷达散射截面的大小直接决定了被探测目标的隐身性能，天线作为载体平台的强散射源之一，对其RCS有着巨大的影响。而天线作为有源目标，在对其进行隐身处理时必须保证其能够正常地收发电磁波，因此常规的隐身手段无法直接作用于天线。
[0003]目前大多数关于天线RCS缩减的技术研究主要集中在微带、波导缝隙、开槽等单天线，并提出了诸多有效的方法，总结起来主要包括以下几种思路：1)利用天线外形修正、加载阻抗或短路探针技术来降低RCS；2)在不影响天线正常辐射的结构处加载吸波材料吸收掉入射波能量，从而减小天线散射；3)使用频率选择表面FSS、滤掉处于威胁频域条件下的入射波，进而控制天线RCS；4)应用新型人工材料(如全息超材料HM、极化转换超材料PCM、人工磁导体AMC等)对消后向散射波来降低RCS。少量文献研究了天线阵列的散射特性，但大多数仅局限于阵列单元散射特性的缩减，未从阵列综合的角度考虑散射特性。
[0004]在公开号为CN105655723B的专利中提出了一种通过阵元绕馈电点随机旋转的方法实现相控阵天线带内RCS缩减的方法，利用阵元随机旋转产生随机散射相位，使得不同阵元的散射场无法在一个主瓣区域内同相叠加，而是会分散到更广的角度域空间，从而降低阵列天线的RCS。同时，对于辐射情形，通过阵元激励的相位补偿仍可使不同阵元的辐射场在主瓣区域内实现同相叠加，从而基本不会导致阵列天线的辐射性能下降。但是该专利没有披露此方法仅适用于天线单元极化形式为圆极化的事实，否则阵元随机旋转必会改变各个阵元的极化状态，导致不同阵元叠加后阵列辐射性能产生恶化。
[0005]在公开号为CN108493625B和CN107086369A的专利中，二者都采用了对强耦合宽带相控阵天线单元本身结构进行处理的方法，试图通过改善带内阻抗匹配特性来降低单元的天线模式项散射进而实现对阵列的带内RCS抑制的目的。由于这种方法仅仅着眼于天线单元层面的散射控制，并没有引入阵列综合的思想，因此不易应用于其它任何结构类型的阵列，通用性较差。
[0006]在专利号为CN108879108A的专利中提供了一种基于散射极化可重构的相控阵天线RCS缩减方法，相控阵天线的每个阵元包括三种不同的极化方式，在相控阵天线辐射时，所有阵元处于相同的极化方式，形成统一极化阵列，当相控阵天线辐射结束后，使各个阵元的极化方式随机分布，形成随机极化阵列，从而能够做到在不影响阵列天线的辐射性能的基础上，显著降低阵列天线辐射结束后的RCS。该方法将辐射与散射状态下阵列单元的极化状态分别独立开来设定，每个阵列单元都需要通过PIN二极管的开断进行控制，还需要额外
增加控制阵元极化方式的外部控制处理器，加大了系统复杂度，另外，该设计方法在天线形式的选择以及宽带相控阵应用上也存在较大的局限性。
[0007]在专利号为CN109950704A的专利中，介绍了一种用于强耦合宽带相控阵天线的带内RCS控制方法，通过优化每个天线单元后端同轴延迟线的长度，调控每个天线单元端口反射系数的相位，从而实现散射对消。但该专利只针对天线的模式项RCS进行优化设计，没有将结构项RCS考虑进来，存在较大的局限性。
[0008]作为一种新体制阵列，四维天线阵在阵列馈电网络结构上采用了高速射频开关，通过FPGA电路板控制开关的通断，从而控制天线单元的工作状态。由于引入了新的自由度，四维天线阵在诸多领域相对于传统阵列有一定的优势，在已发表的文献中，四维天线阵可以实现无移相器波束扫描，同时产生多波束，DOA估计，保密通信，低截获概率雷达等，但尚未出现利用四维天线阵来实现天线RCS缩减的文献。
[0009]因此，本专利技术公开了一种基于四维天线阵的带内散射缩减结构及其控制方法，通过在天线后端连接四维T/R组件和同轴线等电路，并且加载周期性时序，对天线的模式项散射场进行时间调制，进而动态调控天线的总散射场，对散射能量在空间域和频域进行联合控制，相比传统相控阵具有显著的RCS缩减效果。

技术实现思路

[0010]本专利技术鉴于上述背景而实现，克服了现有技术的不足，提出了一种基于四维天线阵的带内散射缩减结构及其控制方法，充分利用四维天线阵所带来的时间维自由度，显著降低了阵列天线的RCS。
[0011]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0012]在三维高频结构电磁场仿真软件(HFSS)中建立天线的模型，设置周期边界条件，并设置带内同极化的电磁波入射到天线阵面。
[0013]在天线端口处分别设置开路(Z
l
＝∞)和短路(Z
l
＝0)，仿真得到一维无限大环境下，天线同极化的散射场E
s
(∞)和E
s
(0)，并且提取出天线的输入阻抗Z
in
，从而得到天线端接任意负载Z
l
时，天线的结构项散射场和模式项散射场。
[0014][0015][0016]E
s
(Z
l
)＝E
st
+E
an
(Z
l
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0017]式(1)
‑
(3)中，E
st
代表天线单元的结构项散射场，E
an
(Z
l
)代表天线单元的模式项散射场，E
s
(Z
l
)代表天线单元的总散射场。
[0018]在天线后端连接四维T/R组件和50欧姆同轴线以及宽频带负载Z
l
。四维T/R组件包括射频开关，移相器和衰减器。为了进行理论分析和验证，测试了一个工作于X波段的吸收式射频开关导通和断开时的S参数矩阵，分别为：
[0019][0020]将开关的S参数矩阵转换成Z矩阵，以及Z矩阵中每一项的计算公式如式(5)
‑
(7)所示：
[0021][0022][0023][0024]在天线单元和四维T/R组件端口1之间建立参考面S1,参考面向左看为天线的输入阻抗Z
in
,参考面向右看为后端电路的等效阻抗Z
n
。在四维T/R组件端口2和50欧姆同轴线之间建立参考面S2,参考面向右看的等效阻抗为Z
m
。开关导通和断开时，Z
n
分别等于Z
on
,Z
off
,具体计算公式如下：
[0025][0026]式中，Z0为开关后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于四维天线阵的带内散射缩减结构，其特征在于，包括四维阵列天线单元、四维T/R组件、50欧姆同轴线以及宽频带负载；其中，四维T/R组件由射频开关、移相器和衰减器构成；射频开关受到预先加载时序的现场可编程门阵列的控制产生周期性通断；天线单元先连接四维T/R组件，随后与50欧姆同轴线相连，终端连接宽频带负载。2.一种如权利要求1所述的基于四维天线阵的带内散射缩减结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于电磁全波仿真软件，建立四维阵列天线单元的周期边界条件，分离出天线单元的结构项RCS和模式项RCS；计算天线后端连接四维T/R组件等电路后，开关导通和断开时，天线单元的模式项RCS；S2、利用单元RCS
×
阵列散射阵因子的方法，预估所有开关均导通和断开时的阵列总RCS；为方便叙述，所有开关均导通时的阵列为参考阵1，所有开关均断开时的阵列为参考阵2，二者均为静态阵列，即传统相控阵；公式如式(1)式中，d为阵元间距,θ0表示电磁波入射方向，θ表示电磁波散射方向,N为天线单元个数，β表示自由空间的波数(通常可设置β＝2π/λ，λ表示自由空间的波长)，Z
on
和Z
off
分别为开关导通和断开时，天线后端电路的等效阻抗；和分别为开关导通和断开时，天线单元的总散射场；和分别为参考阵1和参考阵2的预估总散射场；S3、根据差分进化算法优化四维天线阵中心频率RCS以及边带的RCS；S3、根据差分进化算法优化四维天线阵中心频率RCS以及边带的RCS；S3、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仕文，李子豪，杨锋，陈益凯，屈世伟，胡俊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：