【摘 要】
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雷达探测技术的快速发展,使武器装备突防的难度大幅增加。为了保证己方军事力量对战场局势的控制,提高己方装备的突防与生存能力,各国都开始了对雷达截面减缩技术的研究。阵列天线,作为通讯设备的重要器件,因其需要高效地发射和接收电磁波,使得其雷达隐身设计十分困难,阵列天线成为隐身装备的主要散射源之一。如何在保证阵列天线辐射特性的前提下实现其宽带的雷达隐身设计,具有重要的研究价值与军事意义,同时这也是阵列天线
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雷达探测技术的快速发展,使武器装备突防的难度大幅增加。为了保证己方军事力量对战场局势的控制,提高己方装备的突防与生存能力,各国都开始了对雷达截面减缩技术的研究。阵列天线,作为通讯设备的重要器件,因其需要高效地发射和接收电磁波,使得其雷达隐身设计十分困难,阵列天线成为隐身装备的主要散射源之一。如何在保证阵列天线辐射特性的前提下实现其宽带的雷达隐身设计,具有重要的研究价值与军事意义,同时这也是阵列天线雷达隐身技术中的难题。针对这个难题,本文提出了四种应用于实现阵列天线RCS减缩的新方法,主要内容包括:1.提出了一种基于相位梯度超表面的阵列天线雷达截面（Radar Cross Section,RCS）减缩方法。介绍了相位梯度超表面实现波束控制的机理,通过分析不同周期结构的反射特性,设计出了能够在较宽频带内保持稳定相位梯度的单元结构。随后分析了采用不同排布方式时超表面的散射特性,设计了一款极化不相关的,在7-16.2GHz内可以实现10d B单站RCS减缩的二维相位梯度超表面。将相位梯度超表面作为覆层结构加载在微带缝隙阵列天线上方,超表面与阵列天线共用金属结构。由于相位梯度超表面的加载,使得缝隙天线上方等效介电常数增大,进而对天线的辐射特性产生了影响。通过蚀刻辐射缝隙上方相位梯度超表面的介质板,在一定程度上缓解了对辐射特性的影响。借助于相位梯度超表面的异常反射与漫反射特性,阵列天线在保持辐射特性的同时,在7-20GHz内实现了带外单站RCS减缩。2.提出了一种基于极化转换超表面的低剖面低散射圆极化阵列天线设计方法。首先介绍了极化转换超表面实现极化转换与RCS减缩的原理。利用基于极化转换超表面的天线单元设计低散射阵列天线时,需使用顺序旋转馈电网络来保证天线辐射特性,从而引出了天线单元极化状态的选择问题。通过分析对比采用线极化或圆极化单元时阵列天线的总增益,发现使用圆极化天线设计阵列天线时的增益比采用线极化时的天线增益高3d B。因此使用缝隙耦合馈电激励4×4规模的极化转换结构阵列,设计了在6.1-6.7GHz范围内具有圆极化辐射特性,在5.5-7.8GHz内具有极化转换特性的天线单元。使用此单元结合顺序旋转馈电网络,在不加载额外结构的前提下,设计了在5-9GHz内具有低散射特性,在5.6-7.3GHz内辐射圆极化波的低剖面阵列天线。3.提出了一种基于混合人工磁导体结构的低散射阵列天线设计方法。首先介绍了混合人工磁导体结构实现RCS减缩的机理,随后利用方形贴片、方形贴片与方形环的组合结构设计了两种人工磁导体结构单元,单元在6.3-12.7GHz内可以保持180±30°的反射相位差。使用缝隙耦合馈电结构分别对两种单元组成的阵列进行激励,设计了两种天线单元,单元在6.2–6.8GHz内具有相似的辐射特性。利用这两种天线单元,设计了两种2×2的阵列天线。阵列天线在5.7-7.5GHz内实现了较好的辐射特性,并且在6-17GHz内实现了单站RCS减缩,在8-15GHz内减缩数值高于5d B,减缩带宽覆盖了大部分工作频带。通过改变单元的排布方式,可以获得辐射特性相似,散射方向图不同的阵列天线。4.提出了一种基于1-bit散射可重构天线单元的低散射阵列天线设计方法。在传统微带天线结构的基础上,在天线地板上进行开槽设计,设计出了辐射、散射特性可以独立调控的单元。将开关二极管应用于天线单元设计中,利用二极管工作在不同状态下其等效参数的不同,天线单元可以实现两种不同的工作状态。通过改变二极管两端的控制电压,天线的工作状态可以切换。天线单元的两种工作状态在5GHz附近具有相似的辐射特性,天线在正交极化的平面波照射时具有相似的反射幅度与180°的反射相位差,天线在主极化波照射时两状态均具有吸波特性。利用此天线单元设计了可以根据需求对其散射方向图进行可重构调整的阵列天线,借助优化算法实现了宽带或某特定角域的单/双站RCS减缩。
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