本發(fā)明涉及一種基于編碼超表面的低散射高增益法布里-珀羅諧振腔天線，屬于天線和人工電磁材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，如何使天線以緊湊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高定向性，已經(jīng)成為天線領(lǐng)域的一個(gè)主要問題。傳統(tǒng)的相控陣可以實(shí)現(xiàn)高定向性輻射，但是其造價(jià)昂貴，饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)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(lì)，這就導(dǎo)致了天線整體剖面的增加。然而，法布里-珀羅諧振腔天線憑借緊湊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高增益，引起了學(xué)者們的廣泛研究。

同時(shí)，在隱身技術(shù)和雷達(dá)探測領(lǐng)域，如何減小輻射天線的RCS也引起了廣泛的關(guān)注。天線作為通信系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)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(gè)急需解決的問題。迄今為止，已經(jīng)出現(xiàn)很多降低目標(biāo)RCS的方法，其中主要有相位對消技術(shù)、目標(biāo)表面塑形、電磁帶隙或頻率選擇表面結(jié)構(gòu)吸收和雷達(dá)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(nèi)(或表面)所構(gòu)成的一種人工材料。電磁超表面和傳統(tǒng)意義材料的區(qū)別在于用宏觀尺寸單元代替了原來微觀尺寸單元(原子或分子)。盡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(yīng)都是通過基本單元諧振系統(tǒng)與外加電磁場的相互作用來體現(xiàn)的。近年來，為了減少體超材料的厚度及構(gòu)造復(fù)雜性，單層平面結(jié)構(gòu)的超表面(Metasurfaces)也廣泛地用于調(diào)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，采用數(shù)字編碼的方式實(shí)現(xiàn)對電磁波的實(shí)時(shí)調(diào)控，區(qū)別于基于等效媒質(zhì)理論的傳統(tǒng)超材料。例如，1-比特編碼超材料是兩個(gè)數(shù)字單元“0”和“1”(分別對應(yīng)0和π的相位響應(yīng))按照一定的編碼序列構(gòu)成；而2-比特編碼超材料是由四個(gè)數(shù)字單元“00”，“01”，“10”和“11”(分別對應(yīng)0，π/2,π和3π/2的相位響應(yīng))。這種編碼超材料可以通過設(shè)計(jì)編碼序列來實(shí)現(xiàn)對電磁波的調(diào)控，可用于實(shí)現(xiàn)異常反射和異常折射，甚至可以設(shè)計(jì)隨機(jī)的相位分布，使得入射波束被隨機(jī)散射到各個(gè)方向，形成漫反射，從而有效降低目標(biāo)的RCS，實(shí)現(xiàn)隱身。

由于編碼超材料對電磁波簡單高效地調(diào)控，本發(fā)明中采用隨機(jī)編碼分布的超表面與傳統(tǒng)的法布里-珀羅諧振腔天線有機(jī)地結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)天線高增益輻射的同時(shí)降低天線的RCS。所以本發(fā)明具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于編碼超表面的低散射高增益法布里-珀羅諧振腔天線，以解決傳統(tǒng)高增益法布里-珀羅諧振腔天線的散射問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于編碼超表面的低散射高增益法布里-珀羅諧振腔天線，該天線由上下兩層反射板構(gòu)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(gè)工字型單元構(gòu)成的反射地板；所述下層反射板的中心位置處有一個(gè)微帶貼片天線，作為激勵(lì)源。

所述上層反射板由若干個(gè)基本單元組成，每個(gè)基本單元從上至下依次由上層金屬方片、微波介質(zhì)板和下層金屬方片組成，若干個(gè)上層金屬方片組成編碼超表面，若干個(gè)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(gè)4種不同尺寸的上層金屬方片隨機(jī)排布組成。

所述部分反射表面是由若干個(gè)相同尺寸的下層金屬方片構(gòu)成。

所述下層反射板為由若干個(gè)各向異性的工字型單元構(gòu)成的反射地板。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1、本發(fā)明所提出的一種低散射的法布里-珀羅諧振腔天線，與傳統(tǒng)的法布里-珀羅諧振腔天線相比，在一個(gè)寬帶內(nèi)呈現(xiàn)較低的RCS。

2、本發(fā)明所采用的編碼超表面具有結(jié)構(gòu)簡單輕便的特點(diǎn)，與現(xiàn)有采用焊接電阻的吸波表面相比，介質(zhì)板厚度較薄，且不用焊接數(shù)百個(gè)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(fā)明摒棄了傳統(tǒng)采用等效媒質(zhì)參數(shù)對超表面及各種相應(yīng)器件進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的方案，采用離散的單元編碼形式，利于后期優(yōu)化超表面的隨機(jī)編碼排布，從而獲得最佳的RCS縮減。

4、本發(fā)明同時(shí)具備結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，其兩層反射板采用常規(guī)的印制電路板工藝即可制作。

附圖說明

圖1a為基于編碼超表面的低散射高增益法布里-珀羅諧振腔天線的原理示意圖；

圖1b為基于編碼超表面的低散射高增益法布里-珀羅諧振腔天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2b為優(yōu)化的4種不同金屬方片構(gòu)成的隨機(jī)編碼超表面；

圖3a為四種單元的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖3b為4種單元上表面的反射系數(shù)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系數(shù)幅度和相位隨頻率變化曲線；

圖4a為工字型單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4b為由工字型單元構(gòu)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(diǎn)處基于編碼超表面的法布里-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為參考天線和基于編碼超表面的法布里-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(diǎn)處參考天線和基于編碼超表面的法布里-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為基于編碼超表面的法布里-珀羅諧振腔天線的三維雙站RCS方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

這里將在X波段具體實(shí)例化本發(fā)明所提到的基于編碼超材料的法布里-珀羅(Fabry-Perot)諧振腔天線。圖1a為本發(fā)明的原理示意圖，圖1b為本發(fā)明的天線的結(jié)構(gòu)圖，該天線由上下兩層反射板構(gòu)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(gè)工字型單元構(gòu)成的反射地板；下層反射板3的中心位置處印刷有一個(gè)微帶貼片天線4，作為激勵(lì)源。編碼超表面1將入射電磁波漫反射到空間各個(gè)方向上，實(shí)現(xiàn)天線整體RCS的縮減。部分反射表面2與下層反射板3構(gòu)成一個(gè)法布里-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(fā)明的一個(gè)實(shí)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(jī)排布的4種不同大小的金屬方片構(gòu)成。如圖2a所示，上層反射板5由若干個(gè)基本單元組成，每個(gè)基本單元從上至下依次由上層金屬方片51、微波介質(zhì)板52和下層金屬方片53組成，若干個(gè)上層金屬方片51組成編碼超表面1，若干個(gè)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w_c，下層的金屬方片寬度為w＝11.7mm；中間層介質(zhì)板(介電常數(shù)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(yōu)化的4種不同金屬方片構(gòu)成的隨機(jī)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(yīng)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w_c分別9.6mm、8.1mm、7.3mm、4.6m?；谙辔粚ο?，隨機(jī)排布這四種單元就可以在寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)一取值為0.98和-167°。下表面相對穩(wěn)定的反射輻射和相位為構(gòu)造隨機(jī)編碼超表面提供了基礎(chǔ)，同時(shí)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(gòu)成的反射地板，其在TE和TM波照射下分別呈現(xiàn)-55°和137°的相位響應(yīng)。圖4a為工字型單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為h₂＝1.6mm、w_i＝0.5mm、d_y＝6.6mm、d_x＝3.24mm,、p_x＝8mm、p_y＝10mm。當(dāng)微帶天線激勵(lì)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(jù)傳統(tǒng)法布里-珀羅諧振天線的諧振條件可以計(jì)算出兩層反射板之間的距離H＝13.7mm，最終優(yōu)化為15mm。

實(shí)現(xiàn)和仿真結(jié)果顯示，隨機(jī)的編碼超表面可以在8GHz到12GHz的寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的RCS縮減，在整個(gè)X波段內(nèi)RCS平均降低了9.2dB；在工作頻點(diǎn)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?yàn)樵谔炀€的工作頻點(diǎn)處，TM極化垂直入射的波進(jìn)入天線內(nèi)部仍滿足天線的諧振條件，在邊射方向上形成一個(gè)較大的反射波束，影響了RCS縮減效果。但是由于各向異性工字型地板的存在，若垂直入射波為TE極化，此時(shí)反射地板對TE波的反射相位呈現(xiàn)-55°，破壞了腔體的諧振條件。最終，在天線的工作頻點(diǎn)處可以實(shí)現(xiàn)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(yōu)化隨機(jī)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(fā)明中的天線獲得良好RCS縮減的同時(shí)，也保持了極佳的輻射性能。此天線在10GHz處的實(shí)際增益值為19.1dBi，計(jì)算得到口徑效率為47％，3dB波瓣寬度為±6.5°，結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)的天線實(shí)現(xiàn)了很好的定向性輻射。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。