技术摘要：
本发明公开了一种紧凑型低RCS超表面天线阵及其设计方法，天线阵包括：金属贴片层、中间介质层、金属背板层以及多个同轴金属馈电柱，所述金属贴片层、中间介质层和金属背板层从上至下依次无缝层叠；所述多个同轴金属馈电柱分别贯穿上述的金属贴片层、中间介质层以及金属  全部
背景技术：
在如今高科技电子战中，隐身技术是其中的重要组成部分，对各类武器装备的生 存与作战能力有着举足轻重的影响。天线是各类作战平台上重要的一部分，其本身是目标 系统中具有强散射特性的结构。因此，有效控制减缩天线的雷达散射截面(Radar  Cross  Section，RCS)成为设计低可探测性的雷达系统的关键。 超表面是一种具有亚波长结构的金属阵列，能够灵活地操控电磁波，进而实现对 反射波或透射波的幅度、相位和极化等特性进行人工调控。近年来，超表面因其设计的灵活 特性在低RCS天线中的应用而得到了广泛的研究。尽管已有较多文献通过加载超表面实现 了天线阵的RCS减缩，但在设计时，超表面单元和天线阵设计各自独立，且需要增大天线的 整体尺寸。因此，找到一种有效的方法来降低天线的带内外RCS，同时保证其辐射特性不受 影响尤为重要。 根据雷达方程，敌方雷达的探测距离与目标RCS的四次平方根呈正比关系，故RCS 每降低10个dB，则相应的探测距离范围降到56％，此时雷达作用范围减少44％。因此，缩减 天线的RCS是实现增强各类作战平台存活能力的关键。 期刊文献：M.Guo,B.Xue,J.Wang  and  G.Yang ,"Circularly  polarised  antenna  with  low  RCS  using  chessboard  grid  hollow  substrate,"in  Electronics  Letters, vol.55,no.24,pp.1265-1267,28  11  2019.文献提出一种基于棋盘结构空载基片的低RCS 环形天线阵，其仿真结果显示，该低RCS环形天线阵7-21GHz范围内天线的RCS都实现了缩 减，但该天线的RCS缩减值大于达10dB以上的相对带宽为30％，且在天线工作频段RCS缩减 值均值仅有5dB。作为一种低RCS天线阵，除了具有良好的散射特性，辐射特性也不能受到过 多的影响，由于加载了空载基片，该天线阵有效辐射单元只有50％，相比于参考天线阵，辐 射特性受到极大的影响，显然还需要改进。 期刊文献：Y.Fan,J.Wang ,Y.Li,J.Zhang ,Y.Han  and  S.Qu,"Low-RCS  and  High- Gain  Circularly  Polarized  Metasurface  Antenna ,"in  IEEE  Transactions  on  Antennas  and  Propagation,vol.67,no.12,pp.7197-7203,Dec.2019.文献提出一种通过 旋转辐射单元以棋盘结构排列的的低RCS天线阵，其仿真结果显示，该低RCS天线阵8-14GHz 范围内天线的RCS都实现了缩减，该天线阵充分利用辐射单元面积，将天线与超表面一体化 设计，相比于参考天线阵，辐射特性受到的影响不大，但该天线的RCS缩减值大于达10dB以 上的相对带宽仅为8％，且在天线工作频段RCS缩减值均值仅有4dB，未能很好的实现天线工 作频带内的雷达散射截面的缩减。 4 CN 111585051 A 说　明　书 2/9 页
技术实现要素：
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种紧凑型低RCS超表面天 线阵及其设计方法，以解决现有技术中天线的RCS缩减值大于达10dB以上的相对带宽较窄 以及低RCS天线阵有效辐射单元占比率不高的问题。本发明保证了天线阵的辐射特性的同 时，极大的缩减了天线工作频带内的雷达散射截面，并保证所设计天线阵的RCS缩减值大于 达10dB以上的相对带宽大于现有技术所设计的天线阵，且本发明的低剖面、易加工的特点 便于与电路集成。 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： 本发明的一种紧凑型低RCS超表面天线阵，包括：金属贴片层、中间介质层、金属背 板层以及多个同轴金属馈电柱，所述金属贴片层、中间介质层和金属背板层从上至下依次 无缝层叠；所述多个同轴金属馈电柱分别贯穿上述的金属贴片层、中间介质层以及金属背 板层。 进一步地，所述金属贴片层包含第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元， 第一矩形贴片单元为形状规则的矩形贴片，第二双向梳齿状贴片单元为在对第一矩形贴片 单元尺寸进行调整后，并在辐射边两侧加载八个梳齿结构的双向梳齿状贴片。 进一步地，所述第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元的反射相位差满足 180°±37°，且以棋盘结构形式在中间介质层上4*4周期印制排布。 进一步地，所述中间介质层为采用80mm*80mm*3mm的材料，该材料为F4B基板，介电 常数为2.65，损耗角正切为0.001。 进一步地，设天线阵包含4*4个贴片单元，则相应具有4*4个馈电点，将所述的4*4 个馈电点在4*4贴片单元下方规则排布。 进一步地，所述金属背板层采用导电率为σ＝5.8×107S/m铜材料，尺寸为80mm* 80mm。 本发明的一种紧凑型低RCS超表面天线阵的设计方法，包括步骤如下： 1)根据天线阵的谐振频点计算公式推导出第一矩形贴片单元的尺寸，确定第一矩 形贴片单元的金属馈电柱的位置； 2)根据上述第一矩形贴片单元的反射相位，通过调整其尺寸确定第二双向梳齿状 贴片单元的尺寸，且得到的二者的反射相位满足180°±37°的相位差； 3)根据上述第二双向梳齿状贴片单元的尺寸，结合天线阵的谐振频点计算公式推 导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，及第二双向梳齿状贴片单元的金属馈 电柱的位置； 4)根据第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度及尺寸，在所述第二双向梳 齿状贴片单元的辐射边加载梳齿结构使得辐射边长达到理论辐射边电长度，调整确定第二 双向梳齿状贴片单元的梳齿结构的尺寸以及位置； 5)选择加工材料，采用覆铜压板技术在加工材料上表面周期印制由上述两种贴片 单元构成的金属贴片层，在加工材料下表面印制金属背板层，得到所设计的紧凑型低RCS超 表面天线阵。 进一步地，所述步骤1)中第一矩形贴片单元的尺寸计算公式为： 5 CN 111585051 A 说　明　书 3/9 页 第 一 矩 形 贴 片 单 元 的 金 属 馈 电 柱 的 位 置 计 算 公 式 为 ： 其中，W1为第一矩形贴片单元的辐射边 的宽度，L1为第一矩形贴片单元的辐射边的长度，c0为真空中光的传播速度，f0为指定的谐 振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c1为第一矩形贴片单元的金属馈电柱与第一 矩形贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚度。 进一步地，所述步骤2)中调整第一矩形贴片单元的尺寸的具体步骤如下：在不改 变第一矩形贴片单元宽度的前提下，增大/减小第一矩形贴片单元的长度，当第二双向梳齿 状贴片单元的长度为L2时，实现x极化波入射时宽频带内的反射幅度得到降低，同时不影响 y极化波入射时的反射相位；在不改变第二双向梳齿状贴片单元长度的前提下，增大/减小 第二双向梳齿状贴片单元的宽度，当第二双向梳齿状贴片单元的长度为W2时，实现y极化波 入射时宽频带内与第一矩形贴片单元形成180°±37°的相位差，同时不影响x极化波入射波 的反射幅度。 进一步地，所述步骤3)中推导出第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度的 公式为： 第二双向梳齿状贴片单元的金属馈电柱的位置计算公式为： 其中，L2为第二双向梳齿状贴片单元 的辐射边的实际长度，L′2为第二双向梳齿状贴片单元的理论辐射边电长度，c0为真空中光 的传播速度，f0为指定的谐振中心频率，εr为中间介质层的相对介电常数，c2为第二双向梳 齿状贴片单元的金属馈电柱与第二双向梳齿状贴片单元中心的距离，h为中间介质层的厚 度。 进一步地，所述步骤4)调整第二双向梳齿状贴片单元的梳齿结构尺寸的具体步骤 如下：在不改变第二双向梳齿状贴片单元的实际长度L2与宽度W2的前提下，在第二双向梳齿 状贴片单元的辐射边处分别加载四个梳齿结构，增大/减小梳齿结构的长度与宽度，当梳齿 结构的长度为d宽度为b时，实现L′2≈L2 4d，此时第二双向梳齿状贴片单元作为天线辐射单 元的工作频带与第一矩形贴片单元作为天线辐射单元的工作频带一致，同时不影响x极化 波入射时第二双向梳齿状贴片单元的反射幅度与y极化波入射时反射相位。 本发明的有益效果： 本发明的天线阵具有良好的辐射特性，以4*4个单元棋盘布阵为例，整体结构大小 为8cm*8cm，可见其最小的工作尺寸不会给设计低可探测性的雷达系统造成困难。在16个单 元中，包含了8个第一矩形贴片单元以及8个第二双向梳齿状贴片单元，相较于整个天线只 由一种贴片单元构成，棋盘布阵实现雷达散射截面缩减的特性得到体现，包含的第一矩形 贴片单元的等效尺寸为0.26λ0*0.28λ0，包含的第二双向梳齿状贴片单元的等效尺寸为0.22 λ0*0.20λ0，其中λ0为两种金属贴片单元作为天线的辐射单元工作时谐振点处的波长；以S11 ≤-10dB为标准，天线阵工作频带为6.22-6.83GHz，增益大小为16.01dB。 本发明的天线阵具有良好的散射特性，与参考天线相比：单站RCS随频率变化曲线 显示能在5.22-7.10GHz的宽频带内实现雷达截面减缩，且基本在5.22-7.10GHz频带范围内 6 CN 111585051 A 说　明　书 4/9 页 雷达散射截面减缩量大于10dB；在6.4GHz下的单站RCS曲线随入射角变化曲线显示能在入 射角为-31-31°的角度范围内实现雷达截面减缩，且基本在-31-31°角度范围内雷达散射截 面减缩量大于10dB；在6.4GHz下的三维散射方向图显示在正入射情况下，沿主平面(XZ，YZ) 显著减小，主反射波瓣指向四个象限，在6.4GHz下，本发明超表面天线主平面上的RCS相比 参考天线减少10.2dB。在对角线平面上，RCS最大值比参考天线小8.3dB。这种减少是因为反 射场被重新定向到四个主瓣，而不是参考天线表面的单个主瓣；说明本发明基于棋盘结构 的超表面天线可以大幅度地减缩天线的雷达散射截面，进而实现天线的隐身。 本发明保证了超表面天线不影响辐射特性的同时，极大地缩减覆盖天线工作频带 的单站RCS，其中缩减大于-10dB的频带从5.22-7.10GHz，RCS缩减-10dB相对带宽为47％，大 于现有文献的-10dB相对带宽，并一定程度上实现了工作频带内双站RCS的缩减，为设计低 可探测性的雷达系统提供了研究基础。 本发明通过将两种辐射单元棋盘布阵实现天线整体的散射场相干抵消，并将其分 散到无威胁的角度，进而实现天线宽频带的低雷达散射截面的特性。本发明将天线的辐射 单元同时作为控制散射场相位的超表面单元，实现超表面结构与天线结构的一体化设计， 本发明在实现宽频带的RCS缩减的同时，保证了天线在工作频带内的辐射性能不受影响；本 发明对隐身天线领域有着重要的应用意义。 附图说明 图1为本发明超表面天线阵结构的俯视图。 图2为本发明超表面天线阵结构的侧视图。 图3为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元的结构俯视图。 图4为本发明超表面天线阵中第二双向梳齿状贴片单元的结构俯视图。 图5为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在辐 射、接收状态下的反射系数对比图。 图6为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在辐 射、接收状态下的yoz面增益对比图。 图7a为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在 TE波垂直入射下的反射幅度对比图。 图7b为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在 TE波垂直入射下的反射相位对比图。 图8a为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在 TM波垂直入射下的反射幅度对比图。 图8b为本发明超表面天线阵中第一矩形贴片单元和第二双向梳齿状贴片单元在 TM波垂直入射下的反射相位对比图。 图9为本发明超表面天线阵的两种参考天线的俯视图。 图10为本发明超表面天线阵与参考天线在辐射、接收状态下的反射系数曲线对比 图。 图11为本发明超表面天线阵与参考天线在辐射、接收状态下的yoz面增益对比图。 图12为本发明超表面天线阵与参考天线的单站RCS随频率变化曲线对比图。 7 CN 111585051 A 说　明　书 5/9 页 图13为本发明超表面天线阵与参考天线在6.4GHz下的单站RCS曲线随入射角变化 曲线对比图。 图14a是参考天线1在平面波沿-z轴垂直入射下，在6.4GHz下的三维散射方向图。 图14b是参考天线2在平面波沿-z轴垂直入射下，在6.4GHz下的三维散射方向图。 图14c是本发明超表面天线阵在平面波沿-z轴垂直入射下，在6.4GHz下的三维散 射方向图。