基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法，包括：步骤1，依据特征模理论计算一个3

【技术实现步骤摘要】
基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法


[0001]本专利技术涉及天线设计领域，具体涉及一种基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法。

技术介绍

[0002]超构表面具有常规材料表面所不具备的奇异电磁特性，能够实现对电磁波幅度、相位、极化、模式等的控制，同时还具有剖面低、重量轻、易共形等优点，将超构表面和天线技术相结合，设计新型超构表面天线为高性能天线设计开辟了新途径。研究表明，基于超构表面设计的天线可以降低天线剖面、改善天线的辐射与散射性能。其中，宽带高增益低RCS天线在通信、对抗等领域具有重要应用，而传统印刷微带天线由于工作模式单一天然具有带宽窄的特点，如何提高其带宽、以较小尺寸实现高增益辐射、同时减缩天线RCS非常值得研究。超构表面天线技术的发展为突破这一难题提供了难得的契机。但与传统天线不同是，超构表面天线往往是由多个微结构以周期/准周期方式规模排列构成，诸多自由度在丰富设计可能性的同时，也给仿真带来了极大困难。现有报道大多凭借经验及大量、重复的全波仿真优化，设计过程费时费力，且效率低下，能否达到预期目标在优化前也缺乏理论预判依据。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法，具体包括以下步骤：
[0004]步骤1.依据特征模理论计算一个3
×
3超构表面的特征模曲线，使其单元的形状和尺寸在工作频带内具有n个模式显著性接近1的谐振模式；其中，n≥3；
[0005]步骤2.计算上述谐振模式的表面特征电流分布，确定需要激发的主要特征模式和次要特征模式，结合主要特征模式和次要特征模式的表面特征电流分布，确定主辐射单元，去除掉与主辐射单元电流流向相反的部分单元，得到准周期超构表面7；
[0006]主要特征模式是指超构表面在该模式下能够形成满足要求的辐射场，次要特征模式是指超构表面在该模式下具有形成满足要求的辐射场的潜力，主辐射单元是指超构表面结构中电流分布最强的单元；
[0007]步骤3.依据特征模理论计算步骤2中得到的准周期超构表面7在固定电磁波入射条件下的特征模曲线，依据模式展开系数曲线判断工作频段内的主要激励模式，计算上述主要激励模式下准周期超构表面7的表面特征电流分布，在特征电流分布较强的位置进行结构优化，形成低RCS超构表面9；
[0008]主要激励模式是指，在某一频率处，该模式对应的模式展开系数远大于其它模式对应的模式展开系数；
[0009]步骤4.依据特征模理论计算步骤3中得到的低RCS超构表面9的主要特征模式和次
要特征模式的特征电流分布，在特征电流分布最强的单元处引入同轴馈线激励10，馈电点位置选择在中心贴片1的y轴上，靠近中心贴片1的上侧或者下侧；进一步优化调整各单元尺寸，实现模式级联，形成宽带高增益低RCS超构表面天线11。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，在步骤3中，在特征电流分布较强的位置进行结构优化的方法为刻蚀缝隙。
[0011]在本专利技术的一个具体实施例中，该方法具体包括下列步骤：
[0012]步骤1，3
×
3超构表面包括9个矩形金属贴片单元，按照布局位置将贴片分为中心贴片1、两片x方向边缘贴片2、两片y方向边缘贴片3、四片四角贴片4，所有单元的边长和单元间距均为0.6mm；将9个矩形金属贴片单元印制在矩形介质基板5上；介质基板5的厚度为2.0mm，介电常数为2.2；介质基板5的下方为金属地板6，金属地板6与介质基板5尺寸相同，二者在水平面上的投影完全重合；
[0013]通过特征模理论计算该超构表面的模式显著性曲线，得到：在6～8GHz的工作频带内共有10个模式的模式显著性接近1，即此10个模式为谐振模式；
[0014]步骤2，计算上述10个谐振模式的特征电流，由表面特征电流分布计算得到辐射方向图，可见模式1和模式2的表面特征电流在所有单元上的分布均同向，即能形成唯一的法向聚焦波束，所以这两种模式是主要特征模式；模式7和模式8的表面特征电流具有流向相反的部分，因此能量会向对角线方向分散，形成裂瓣，但由于中心贴片电流分布较强，仍有部分能量能沿法向辐射，所以模式7和模式8具有形成满足要求的辐射场的潜力，为次要特征模式；模式3、4、5、6、9、10的电流分布无法实现法向辐射；
[0015]由此知，模式1和模式2的模式显著性曲线完全相同，电流分布也完全相同，只是沿着超构表面中心旋转了90度，因此模式1和模式2为简并模式，选择任意一个进行激发，实现所需的辐射特性；同理，模式7和模式8也是简并模式；当选择模式1和模式7进行激发时，结合模式1和模式7的表面特征电流分布知，中心贴片1为主辐射单元；去掉与中心贴片1上电流流向相反的x方向边缘贴片2，以优化模式7的辐射方向图，得到准周期超构表面7；
[0016]步骤3，采用刻蚀缝隙方式在特征电流分布较强的位置进行结构优化，形成低RCS超构表面9；
[0017]主要激励模式是指，在某一频率处，该模式对应的模式展开系数远大于其它模式对应的模式展开系数；
[0018]计算x极化电磁波入射条件下，准周期超构表面7的模式展开系数曲线，得到：在6～8GHz的工作频带内，模式1和模式9的模式展开系数远远大于其余模式，因此模式1和模式9是准周期超构表面7在x极化电磁波入射条件下的主要激励模式；计算模式1在7.4GHz、模式9在7.8GHz处的表面特征电流分布，由结果知，电流方向沿x方向，与入射电磁波极化方向一致，其中，模式1的电流在y方向边缘贴片3上幅度较强，而模式9的电流在四角贴片4上幅度较强；为减缩准周期超构表面7的RCS，需要破坏这6个单元上的电流；
[0019]采用刻蚀缝隙的方式破坏电流；由于电流流向沿x方向，所以在准周期超构表面7中，除中心贴片1外的其他单元上，沿y方向刻蚀缝隙8，形成低RCS超构表面9；
[0020]步骤4，由低RCS超构表面9在模式1和模式7的谐振频率下的表面特征电流分布，可知两种模式下，中心贴片1均为电流分布最强处，因此在中心贴片处引入同轴馈线10进行激励，馈电点位置选择在中心贴片1的y轴上，靠近中心贴片1的上侧或者下侧；
[0021]进一步优化调整各单元尺寸，优化后中心贴片1的长度在10.0～14.0mm范围内，宽度在10.0～14.0mm范围内；边缘贴片3和四角贴片4的长度在10.0～14.0mm范围内，宽度在10.0～14.0mm范围内；单元间距在0.2～1.0mm范围内；同轴馈线10距离中心贴片1的中心距离在2.0～6.5mm范围内；介质基板5长度在34.0～60.0mm范围内，宽度在34.0～60.0mm范围内，厚度在1.0～3.0mm范围内；由此产生宽带高增益低RCS超构表面天线11。
[0022]在本专利技术的一个具体实施例中，在步骤4中，优化后中心贴片1的长度为13.0mm，宽度为12.0mm；边缘贴片3和四角贴片4的长度为12.0mm，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1.依据特征模理论计算一个3
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3超构表面的特征模曲线，使其单元的形状和尺寸在工作频带内具有n个模式显著性接近1的谐振模式；其中，n≥3；步骤2.计算上述谐振模式的表面特征电流分布，确定需要激发的主要特征模式和次要特征模式，结合主要特征模式和次要特征模式的表面特征电流分布，确定主辐射单元，去除掉与主辐射单元电流流向相反的部分单元，得到准周期超构表面(7)；主要特征模式是指超构表面在该模式下能够形成满足要求的辐射场，次要特征模式是指超构表面在该模式下具有形成满足要求的辐射场的潜力，主辐射单元是指超构表面结构中电流分布最强的单元；步骤3.依据特征模理论计算步骤2中得到的准周期超构表面(7)在固定电磁波入射条件下的特征模曲线，依据模式展开系数曲线判断工作频段内的主要激励模式，计算上述主要激励模式下准周期超构表面(7)的表面特征电流分布，在特征电流分布较强的位置进行结构优化，形成低RCS超构表面(9)；主要激励模式是指，在某一频率处，该模式对应的模式展开系数远大于其它模式对应的模式展开系数；步骤4.依据特征模理论计算步骤3中得到的低RCS超构表面(9)的主要特征模式和次要特征模式的特征电流分布，在特征电流分布最强的单元处引入同轴馈线激励(10)，馈电点位置选择在中心贴片(1)的y轴上，靠近中心贴片(1)的上侧或者下侧；进一步优化调整各单元尺寸，实现模式级联，形成宽带高增益低RCS超构表面天线(11)。2.如权利要求1所述的基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法，其特征在于，在步骤3中，在特征电流分布较强的位置进行结构优化的方法为刻蚀缝隙。3.如权利要求1所述的基于特征模理论的宽带高增益低RCS超构表面天线的设计方法，其特征在于，具体包括下列步骤：步骤1，3
×
3超构表面包括9个矩形金属贴片单元，按照布局位置将贴片分为中心贴片(1)、两片x方向边缘贴片(2)、两片y方向边缘贴片(3)、四片四角贴片(4)，所有单元的边长和单元间距均为0.6mm；将9个矩形金属贴片单元印制在矩形介质基板(5)上；介质基板(5)的厚度为2.0mm，介电常数为2.2；介质基板(5)的下方为金属地板(6)，金属地板(6)与介质基板(5)尺寸相同，二者在水平面上的投影完全重合；通过特征模理论计算该超构表面的模式显著性曲线，得到：在6～8GHz的工作频带内共有10个模式的模式显著性接近1，即此10个模式为谐振模式；步骤2，计算上述10个谐振模式的特征电流，由表面特征电流分布计算得到辐射方向图，可见模式1和模式2的表面特征电流在所有单元上的分布均同向，即能形成唯一的法向聚焦波束，所以这两种模式是主要特征模式；模式7和模式8的表面特征电流具有流向相反的部分，因此能量会向对角线方向分散，形成裂瓣，但由于中心贴片电流分布较强，仍有部分能量能沿法向辐射，所以模式7和模式8具有形成满足要求的辐射场的潜力，为次要特征模式；模式3、4、5、6、9、10的电流分布无法实现法向辐射；由此知，模式1和模式2的模式显著性曲线完全相同，电流分布也完全相同，只是沿着超构表面中心旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李桐，曹祥玉，高坤，杨欢欢，李思佳，田江浩，季轲峰，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：