基于共享孔径MTM的天线宽带RCS减缩技术研究

Radar cross section(RCS) reduction of antennas based on metamaterial(MTM) has been one of the most important stealth techniques for antennas. Shared aperture, a new technology in phased-array antennas, hasn't been applied to the design of such metamaterial utilized in antenna RCS reduction. This project is aimed at developing a novel antenna stealth technique utilizing shared-aperture MTM. Based on the absorbing and reflection properties of MTM, a computational model can be established using the shared-aperture techniques.By applying array-antenna theories to the analysis of scattering properties, the scattering field analysis and computation can be simplified. With the aspects of field and circuits in consideration, fractal electrodynamics and multi-tuner circuit theories can be utilized to design broadband and miniaturized subarrays of metamaterial. Through the shared-aperture technology, using the Interleaved Sparse Arrays (ISA) method, genetic algorithm, swarm optimization method and difference sets method, the reflection phase, reflection amplitude and location of subarrays can be optimized to abtain shared-aperture metamaterial with passive cancellation and perfect absorber function. As a result, an integrated design considering both shared-aperture metamaterial and the antenna can be realized to reduce antenna RCS in high-threat directions and broadbandly absorb any radar electromagnetic wave of threat.

基于人工电磁媒质(Metamaterial,MTM)减缩天线雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)是天线隐身技术的重要实现途径之一。共享孔径技术是一种新的相控阵天线技术，利用此技术设计MTM以实现天线RCS减缩尚未见报道。本项目拟开展基于共享孔径MTM的新型天线隐身技术研究。从MTM的吸波、同相反射等特性出发，利用共享孔径技术，建立MTM结构模型，采用阵列天线理论分析其散射特性，简化分析计算，研究实现低RCS宽带MTM的方法和途径。采用分形技术和多调谐电路理论，从"场"和"路"的角度分析设计小型化、宽频带子孔径MTM单元。采用共享孔径技术，通过交错稀疏布阵方式，利用遗传算法、粒子群算法和差集算法等对媒质的反射相位、幅度、阵元位置进行优化，实现具有相位相消和完美吸波特性的共享孔径MTM。将共享孔径MTM与天线进行一体化设计，实现天线宽频带、特定高威胁方向的RCS减缩。

研究了共享孔径人工电磁媒质(MTM)的吸波和相位调制特性及其在天线宽带RCS减缩中的应用。.（1）建立了MTM阵列散射分析模型，研究了阵列总散射场的计算方法，分析了MTM阵因子与散射峰值、峰值数目和单元间距的关系；通过“散射问题辐射化”，将MTM散射场分解为阵列散射场因子和单元散射场因子乘积，实现了利用阵列天线理论对MTM的反射相位、反射幅度、阵元位置进行快速综合设计，为共享孔径MTM阵列设计奠定了理论基础；.（2）研究了宽带、小型化MTM的实现机理，设计了三阶十字分形、波纹螺旋结构、双贴面结构和八边环形结构的吸波和相位调制MTM子孔径单元。利用分形、多层和集总元件加载等方法，设计了多种小型化宽频带的子孔径MTM，从表面电流分布和等效电路等角度，研究了结构小型化的实现机理，分析了其宽带吸波和相位调制特性，通过仿真、实验验证了设计的有效性；.（3）研究了低RCS共享孔径MTM的实现原理，提出了基于人工磁导体（AMC）子孔径和完美吸波体（PMA）子孔径的共享孔径MTM设计方法。利用AMC的相位调制特性和PMA的吸波特性，结合智能优化算法，在同一口径内实现多种子孔径MTM合理排布，对散射方向进行了有效调控，实现了高威胁方向RCS的宽带减缩，并通过实验验证了设计的有效性；.（4）以微带天线、波导缝隙天线为例，研究了高增益、宽带低RCS共享孔径MTM天线的设计方法。综合考虑天线口径的空间特点，分别将AMC-PMA共享孔径和AMC共享孔径MTM与天线一体化设计，在提高天线增益的同时实现了RCS减缩，仿真和实验表明，将共享孔径MTM与天线一体化设计，既能保持、甚至提高天线辐射特性，同时又能在宽频带内有效降低天线RCS，为天线宽带RCS减缩提供了有效方法；.在以上研究基础上，结合超材料技术的发展和应用前景，拓展研究了基于共享孔径MTM的轨道角动量(OAM)涡旋电磁场产生方法。通过在同一孔径上构造多种MTM单元，并使之满足OAM涡旋电磁波的产生条件，得到了多极化多波束和全空间的OAM涡旋电磁波。