一種基於編碼超表面的低散射高增益法布裡‑珀羅諧振腔天線的製作方法
2023-09-21 05:02:50
本發明涉及一種基於編碼超表面的低散射高增益法布裡-珀羅諧振腔天線，屬於天線和人工電磁材料領域。
背景技術：
近年來，如何使天線以緊湊的結構實現高定向性，已經成為天線領域的一個主要問題。傳統的相控陣可以實現高定向性輻射，但是其造價昂貴，饋電網絡複雜且損耗大。而反射陣和傳輸陣天線也可滿足高增益需求，但是一般需要外部饋源來激勵，這就導致了天線整體剖面的增加。然而，法布裡-珀羅諧振腔天線憑藉緊湊的結構實現高增益，引起了學者們的廣泛研究。
同時，在隱身技術和雷達探測領域，如何減小輻射天線的RCS也引起了廣泛的關注。天線作為通信系統中關鍵的設備，如何在不犧牲天線輻射性能的前提下有效地減少RCS成為一個急需解決的問題。迄今為止，已經出現很多降低目標RCS的方法，其中主要有相位對消技術、目標表麵塑形、電磁帶隙或頻率選擇表面結構吸收和雷達吸波材料等。
新型人工電磁材料(亦稱超材料Metamaterials)，是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期或非周期性地排列，或者植入到基體材料體內(或表面)所構成的一種人工材料。電磁超表面和傳統意義材料的區別在於用宏觀尺寸單元代替了原來微觀尺寸單元(原子或分子)。儘管二者的單元尺寸相差很大，但是它們對外加電磁波的響應都是通過基本單元諧振系統與外加電磁場的相互作用來體現的。近年來，為了減少體超材料的厚度及構造複雜性，單層平面結構的超表面(Metasurfaces)也廣泛地用於調控電磁波。
崔鐵軍教授課題組在2014年提出了編碼超材料的概念，採用數字編碼的方式實現對電磁波的實時調控，區別於基於等效媒質理論的傳統超材料。例如，1-比特編碼超材料是兩個數字單元「0」和「1」(分別對應0和π的相位響應)按照一定的編碼序列構成；而2-比特編碼超材料是由四個數字單元「00」，「01」，「10」和「11」(分別對應0，π/2,π和3π/2的相位響應)。這種編碼超材料可以通過設計編碼序列來實現對電磁波的調控，可用於實現異常反射和異常折射，甚至可以設計隨機的相位分布，使得入射波束被隨機散射到各個方向，形成漫反射，從而有效降低目標的RCS，實現隱身。
由於編碼超材料對電磁波簡單高效地調控，本發明中採用隨機編碼分布的超表面與傳統的法布裡-珀羅諧振腔天線有機地結合，在實現天線高增益輻射的同時降低天線的RCS。所以本發明具有很高的應用價值。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於編碼超表面的低散射高增益法布裡-珀羅諧振腔天線，以解決傳統高增益法布裡-珀羅諧振腔天線的散射問題。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
一種基於編碼超表面的低散射高增益法布裡-珀羅諧振腔天線，該天線由上下兩層反射板構成，其中，上層反射板的上表面為編碼超表面，下表面為部分反射表面；下層反射板為由若干個工字型單元構成的反射地板；所述下層反射板的中心位置處有一個微帶貼片天線，作為激勵源。
所述上層反射板由若干個基本單元組成，每個基本單元從上至下依次由上層金屬方片、微波介質板和下層金屬方片組成，若干個上層金屬方片組成編碼超表面，若干個下層金屬方片組成部分反射表面。
所述編碼超表面是由若干個4種不同尺寸的上層金屬方片隨機排布組成。
所述部分反射表面是由若干個相同尺寸的下層金屬方片構成。
所述下層反射板為由若干個各向異性的工字型單元構成的反射地板。
有益效果：與現有技術相比，本發明的優勢在於：
1、本發明所提出的一種低散射的法布裡-珀羅諧振腔天線，與傳統的法布裡-珀羅諧振腔天線相比，在一個寬帶內呈現較低的RCS。
2、本發明所採用的編碼超表面具有結構簡單輕便的特點，與現有採用焊接電阻的吸波表面相比，介質板厚度較薄，且不用焊接數百個電阻。在一定程度上避免了由電阻損耗帶來的增益損失，很好地保持了天線的輻射性能。
3、本發明摒棄了傳統採用等效媒質參數對超表面及各種相應器件進行分析與設計的方案，採用離散的單元編碼形式，利於後期優化超表面的隨機編碼排布，從而獲得最佳的RCS縮減。
4、本發明同時具備結構緊湊，製造簡單，操作方便等優點，其兩層反射板採用常規的印製電路板工藝即可製作。
附圖說明
圖1a為基於編碼超表面的低散射高增益法布裡-珀羅諧振腔天線的原理示意圖；
圖1b為基於編碼超表面的低散射高增益法布裡-珀羅諧振腔天線的結構示意圖；
圖2a為基本單元的結構示意圖；
圖2b為優化的4種不同金屬方片構成的隨機編碼超表面；
圖3a為四種單元的結構示意圖，
圖3b為4種單元上表面的反射係數幅度和相位隨頻率變化曲線；
圖3c為4種單元下表面的反射係數幅度和相位隨頻率變化曲線；
圖4a為工字型單元的結構示意圖；
圖4b為由工字型單元構成的反射地板；
圖4c為工字型單元的反射幅度和相位隨頻率變化曲線；
圖5a和5b為10GHz頻點處基於編碼超表面的法布裡-珀羅諧振腔天線輻射方向圖；其中，圖5a為E面方向圖；圖5b為H面方向圖；
圖6a和6b為參考天線和基於編碼超表面的法布裡-珀羅諧振腔天線的單站RCS隨頻率變化曲線；其中，圖6a為橫電(TE)波垂直照射下的單站RCS；圖6b為橫磁(TM)波垂直照射下的單站RCS；
圖7a-7d為10GHz頻點處參考天線和基於編碼超表面的法布裡-珀羅諧振腔天線的雙站RCS方向圖；其中，圖7a為TE波垂直照射下，天線xoz面的雙站RCS方向圖；圖7b為TE波垂直照射下，天線yoz面的雙站RCS方向圖；圖7c為參考天線的三維雙站RCS方向圖；圖7d為基於編碼超表面的法布裡-珀羅諧振腔天線的三維雙站RCS方向圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
這裡將在X波段具體實例化本發明所提到的基於編碼超材料的法布裡-珀羅(Fabry-Perot)諧振腔天線。圖1a為本發明的原理示意圖，圖1b為本發明的天線的結構圖，該天線由上下兩層反射板構成，其中，上層反射板5的上表面為編碼超表面1，下表面為部分反射表面2；下層反射板3為由若干個工字型單元構成的反射地板；下層反射板3的中心位置處印刷有一個微帶貼片天線4，作為激勵源。編碼超表面1將入射電磁波漫反射到空間各個方向上，實現天線整體RCS的縮減。部分反射表面2與下層反射板3構成一個法布裡-珀羅諧振腔。天線由地板中心印刷的微帶貼片天線4饋電，電磁波在腔體中多次反射，形成高定向性輻射。在本發明的一個實施例中，上下兩層反射板尺寸分別為110mm×110mm×2mm和110mm×110mm×1.6mm。
為了獲得理想的RCS縮減，編碼超表面的上表面是由隨機排布的4種不同大小的金屬方片構成。如圖2a所示，上層反射板5由若干個基本單元組成，每個基本單元從上至下依次由上層金屬方片51、微波介質板52和下層金屬方片53組成，若干個上層金屬方片51組成編碼超表面1，若干個下層金屬方片53組成部分反射表面2；上層的金屬方片寬度為wc，下層的金屬方片寬度為w＝11.7mm；中間層介質板(介電常數為2.2，損耗角正切為0.0009)的厚度為h1＝2mm，單元周期長度p＝12mm，金屬層厚度t＝0.018mm；圖2b為優化的4種不同金屬方片構成的隨機編碼超表面。
圖3a-3c展示了2-比特編碼超表面的4種基本單元「00」，「01」，「10」和「11」，其上表面的相位響應分別為-135°，-45°,45°和135°。圖3a中所示的4種基本單元的上層金屬片寬度wc分別9.6mm、8.1mm、7.3mm、4.6m。基於相位對消原理，隨機排布這四種單元就可以在寬帶內實現天線RCS縮減。需要說明的是，4種單元的下表面反射幅度和相位幾乎保持一致，可統一取值為0.98和-167°。下表面相對穩定的反射輻射和相位為構造隨機編碼超表面提供了基礎，同時保證了天線的高增益特性。
圖4a-4c展示了一種各向異性的工字型單元構成的反射地板，其在TE和TM波照射下分別呈現-55°和137°的相位響應。圖4a為工字型單元的結構示意圖，其結構參數為h2＝1.6mm、wi＝0.5mm、dy＝6.6mm、dx＝3.24mm,、px＝8mm、py＝10mm。當微帶天線激勵TM模式，部分反射表面的反射相位為-167°，工字型地板的反射相位為137°，根據傳統法布裡-珀羅諧振天線的諧振條件可以計算出兩層反射板之間的距離H＝13.7mm，最終優化為15mm。
實現和仿真結果顯示，隨機的編碼超表面可以在8GHz到12GHz的寬頻帶內實現良好的RCS縮減，在整個X波段內RCS平均降低了9.2dB；在工作頻點10GHz處，TE極化波照射下的RCS縮減為16dB，而TM極化波照射下的RCS縮減僅有6dB。這是因為在天線的工作頻點處，TM極化垂直入射的波進入天線內部仍滿足天線的諧振條件，在邊射方向上形成一個較大的反射波束，影響了RCS縮減效果。但是由於各向異性工字型地板的存在，若垂直入射波為TE極化，此時反射地板對TE波的反射相位呈現-55°，破壞了腔體的諧振條件。最終，在天線的工作頻點處可以實現對TE極化入射波的低散射，獲得了良好的RCS縮減。在TE波垂直照射下，最優化隨機排布的編碼超表面可以獲得良好的單站和雙站RCS，將入射電磁波漫反射到上半空間。本發明中的天線獲得良好RCS縮減的同時，也保持了極佳的輻射性能。此天線在10GHz處的實際增益值為19.1dBi，計算得到口徑效率為47％，3dB波瓣寬度為±6.5°，結果表明了所設計的天線實現了很好的定向性輻射。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。