一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构，包括依序压合在一起的金属贴片层、第一中间介质层、金属地板层、第二中间介质层、馈电网络层、第三中间介质层和直流偏置网络层；所述金属贴片层包括若干矩形贴片单元，贴片单元下表面均通过第一馈电柱沿竖直方向连接至馈电网络层；所述第一馈电柱两侧各设置一根第二馈电柱，连接贴片单元和直流偏置网络层；本发明专利技术还提供了相应设计方法，使设计的编码超表面天线阵列结构在四个二极管通断状态下交叉极化的散射相位满足180

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构及设计方法


[0001]本专利技术涉及微波天线设计
，主要涉及一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构及设计方法。

技术介绍

[0002]在现代电子战中，飞机、火箭、舰船等作战平台的隐身性能往往直接影响着它们的作战能力以及生存能力，通过各种手段使得己方目标的可探测信息特征得以改变，最大可能让敌方设备探测不到甚至错误识别成其他目标达到“隐真示假”的目的。
[0003]目前针对天线阵列的隐身设计大多是采用无源相消技术，或是加载频率选择表面天线罩进行滤波，或是在天线周围/地板加载超表面结构进行吸波/相位相消
……
此类设计方法一旦实施，天线的散射方向图便是固定的，已渐渐无法适应当今波谲云诡的战争。这就需要进一步转化设计思路，引入编码的思想，让天线能够在工作频段切换出不同的散射波束方向图甚至达到散射波束可调控，实现“隐真示假”的效果，这对于进一步提高己方设备的生存能力具有很重要的研究意义。
[0004]编码超表面的概念是由东南大学崔铁军教授课题组于2014年首次提出，他们将数字电路中“0”和“1”的设计思想引入到超表面的设计当中，以1比特为例，通过用“0”和“1”编码分别命名相位相差180
°
的两个单元，使得超表面的设计更加灵活。传统天线在设计完成之后其辐射性能以及散射特性基本固定不变，只能适用于单一的工程应用系统。且现有的编码超表面技术大都研究的是超表面结构的RCS减缩，并没有结合天线综合分析。因此，基于编码超表面以及超表面天线的思想，对于天线的辐射特性以及RCS的缩减特性分别进行研究，在保证天线辐射性能基本不受影响的同时，呈现出动态调控天线散射性能的效果，对于天线系统能够适应未来复杂多变的战场形势具有重要意义。
[0005]基于编码超表面以及超表面天线的思想，对于天线的辐射特性以及RCS的缩减特性分别进行研究，在保证天线辐射性能基本不受影响的同时，呈现出动态调控天线散射性能的效果，对于天线系统能够适应未来复杂多变的战场形势具有重要意义。
[0006]现有技术中文献Li B,Liu S B,Shi H Y,Yang C,Chen Q,Zhang A X.Planar Phase Gradient Metasurface Antenna With Low RCS[J].IEEE ACCESS,2018,6:78839
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788450，以具有非谐振模式的贴片作为基本单元，将不同排列的"3
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3"的小子阵，再将这些小子阵周期排列成具体形式的相位梯度，就可以实现较宽频带内的RCS减缩效果。但是目前对于相位梯度的天线阵列隐身设计，均是将相位梯度超表面作为附件加载至天线周围，不仅需要将二者分开设计，还会增大天线的尺寸。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构及设计方法，旨在尽可能在实现天线RCS缩减时保证其正常的辐射特性，同时通过编码超表面方法来增大散射方向图的自由度。
[0008]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构，包括依序压合在一起的金属贴片层、第一中间介质层、金属地板层、第二中间介质层、馈电网络层、第三中间介质层和直流偏置网络层；
[0010]所述金属贴片层包括若干矩形贴片单元，每个贴片单元下表面均通过第一馈电柱沿竖直方向连接至馈电网络层；所述馈电网络层采用并联馈电网络，通过同轴馈电方式为贴片单元进行供电；所述第一馈电柱两侧各设置一根第二馈电柱，连接贴片单元和直流偏置网络层；所述金属地板层在对应位置设置有若干空隙，用于穿过第一馈电柱和第二馈电柱；所述直流偏置网络层包括若干相互平行的直线金属条，通过第二馈电柱为金属贴片层提供偏置电流。
[0011]进一步地，所述矩形贴片单元包括以下两种结构；
[0012](1)包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度的缺口；在上下缺口两侧分别沿平面x轴方向设有连接第一方形环和第二方形环的pin二极管，且pin二极管方向由第二方形环指向第一方形环；
[0013](2)包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度的第一缺口；沿平面x轴方向左右两边分别对称设有相同长度的第二缺口；沿第一缺口方向上下两侧分别设置连通缺口的pin二极管，pin二极管方向相同；
[0014]馈电网络层的同轴馈电点与中心贴片的轴心不重合。各pin二极管垂直映射到直流偏置网络层的金属条上，由直流偏置网络层提供偏置电流。
[0015]进一步地，所述馈电网络层根据矩形贴片单元个数，通过功分器为矩形贴片单元供电。
[0016]进一步地，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层均采用聚四氟乙烯F4B材料制成，介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001；所述金属贴片层、金属地板层、馈电网络层和直流偏置网络层均采用电导率σ＝5.8
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107s/m的铜材料制成。
[0017]一种用于设计上述基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构的方法，包括以下步骤：
[0018]步骤S1、基于需求和理论公式设计天线矩形贴片单元的原始理论尺寸；
[0019]步骤S2、采用同轴馈电方式，根据同轴馈电点位置的理论计算公式推导出两个贴片单元的同轴金属馈电柱的初步位置，即同轴馈电点与中心点之间的距离，并通过仿真优化参数得出最佳位置；
[0020]步骤S3、通过调整矩形贴片单元的结构类型和不同结构中方形环尺寸、缺口位置，使设计的编码超表面天线阵列结构在四个二极管通断状态下交叉极化的散射相位满足180
°±
37
°
的相位差；
[0021]步骤S4、通过分析电流和端口的阻抗匹配情况，进一步调整中心矩形贴片和外侧两个方形环的尺寸，来优化编码超表面天线阵列结构的辐射特性；
[0022]步骤S5、基于金属贴片层的矩形贴片单元排布方式，采用Wilkinson功分器模型设计出同轴馈电网络，并设计相应的同轴馈电网络结构；
[0023]步骤S6、基于矩阵贴片单元个数，设计相应的直流偏置网络层，用于给各开关二极
管供电；
[0024]步骤S7、将金属贴片层结构、馈电网络层和直流偏置网络层结合起来进行仿真优化；
[0025]步骤S8、将优化后的金属贴片层、馈电网络层和直流偏置网络层分别用中间介质层进行间隔组合，依次压制，并组装第一馈电柱和第二馈电柱，获得设计完成的编码超表面天线阵列结构。
[0026]进一步地，所述步骤S5中采用Wilkinson功分器模型设计馈电网络层具体方法如下：
[0027]步骤S5.1、根据金属贴片层中矩形贴片单元规格m*m将矩形贴片单元划分为m/4个2*2的一级小子阵，对一级小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构，其特征在于，包括依序压合在一起的金属贴片层、第一中间介质层、金属地板层、第二中间介质层、馈电网络层、第三中间介质层和直流偏置网络层；所述金属贴片层包括若干矩形贴片单元，每个贴片单元下表面均通过第一馈电柱沿竖直方向连接至馈电网络层；所述馈电网络层采用并联馈电网络，通过同轴馈电方式为贴片单元进行供电；所述第一馈电柱两侧各设置一根第二馈电柱，连接贴片单元和直流偏置网络层；所述金属地板层在对应位置设置有若干空隙，用于穿过第一馈电柱和第二馈电柱；所述直流偏置网络层包括若干相互平行的直线金属条，通过第二馈电柱为矩形贴片单元提供偏置电流。2.根据权利要求1所述的一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构，其特征在于，所述矩形贴片单元包括以下两种结构；(1)包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度的缺口；在上下缺口两侧分别沿平面x轴方向设有连接第一方形环和第二方形环的pin二极管，且pin二极管方向由第二方形环指向第一方形环；(2)包括中心贴片和依次向外设置的第一方形环和第二方形环，沿平面y轴方向上下两边分别对称设有相同长度的第一缺口；沿平面x轴方向左右两边分别对称设有相同长度的第二缺口；沿第一缺口方向上下两侧分别设置连通缺口的pin二极管，pin二极管方向相同；馈电网络层的同轴馈电点与中心贴片的轴心不重合；各pin二极管垂直映射到直流偏置网络层的金属条上，由直流偏置网络层提供偏置电流。3.根据权利要求1所述的一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构，其特征在于，所述馈电网络层根据矩形贴片单元个数，通过功分器为矩形贴片单元供电。4.根据权利要求1所述的一种基于相位梯度的编码超表面天线阵列结构，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层均采用聚四氟乙烯F4B材料制成，介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001；所述金属贴片层、金属地板层、馈电网络层和直流偏置网络层均采用电导率σ＝5.8
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107s/m的铜材料制成。5.一种设计权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：马贝贝，陈妍，何小祥，杨阳，陈艺薇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：