基于电磁超表面的宽带综合孔径共形天线RCS减缩技术研究

Wide-band Synthetic Aperture Conformal Antenna (SACA) has become the key research issue in various platform antenna systems currently. It is suggested that the stealth ability of wide-band SACA has a significant influence on the stealth performance of the platform system. This project is aimed at reducing the radar cross section (RCS) of wide-band SACA utilizing electromagnetic metasurface. Based on the thought of analysis and synthesis of different antenna apertures, the radiation and scattering characteristics of wide-band SACA are studied. Absorbing and scattering electromagnetic (EM) metasurface units with wide-band, miniaturized as well as controllable characteristics are designed by applying multi-resonator theory, fractal technique and digital control method. Inhomogeneous, interleaved sparse arrays and optimization algorithms are used to achieve wide-band, wide-angle metasurface. The mechanism of scattering field controlling is also investigated regarding the low-RCS metasurface. Shared-aperture technique is proposed in the integration design of metasurface and SACA. The loading of metasurface in SACA is optimized in different latitudes. Through the above analysis, evident RCS reduction of wide-band SACA could be realized by utilizing the absorbing and scattering-controllable performance of EM metasurface.

宽带综合孔径共形天线是当前装备平台天线系统发展的重点研究领域，其雷达散射截面积(Radar Cross Section, RCS)对平台整体隐身性能的影响至关重要。项目拟基于电磁超表面技术，开展宽带综合孔径共形天线RCS减缩技术研究。利用天线孔径区域分解与综合的思想，研究宽带综合孔径共形天线的辐射与散射特性；综合多调谐理论、分形技术及数字调控方法，设计宽带、小型化及性能灵活可调的吸波及散射型电磁超表面单元，通过不同单元的非均匀、交错稀疏化布阵等方式，结合优化算法研究散射场调控机制，实现宽带、宽角度吸波及散射波束可控的低RCS电磁超表面设计；将共享孔径技术引入电磁超表面与天线的一体化设计，结合不同维度优化电磁超表面在天线孔径中的布局，综合利用电磁超表面吸波及散射场调控特性，探索电磁超表面在综合孔径共形天线中的应用方式，在保持天线辐射特性的条件下，实现宽带综合孔径共形天线RCS的有效减缩。

研究了综合孔径电磁超表面的吸波、相位调制和极化转换特性及其在宽带综合孔径共形天线RCS减缩中的应用，.（1）采用区域分解和区域合成的思想，将宽带综合孔径共形天线的散射场转化为子孔径天线散射场的矢量叠加；建立了子孔径天线多端口散射网络模型，将子孔径的散射场分解为阵列散射场因子和单元散射场因子乘积；研究了综合孔径共形天线的散射特性随孔径曲率、入射波角度、极化及孔径中天线分布的变化规律，为综合孔径共形天线低RCS设计奠定了理论基础。.（2）研究了宽频带宽角度吸波电磁超表面实现机理，利用多层结构、集总元件加载等方法，设计了混合多谐振电阻加载型宽带宽角超薄吸波体、小型化宽带宽角超薄吸波体和可调谐宽带超薄吸波体，从表面电流分布、电场分布和等效电路等角度分析了其宽带宽角吸波特性，仿真、实验验证了设计的有效性；.（3）研究了散射波束可控的宽带低RCS电磁超表面实现机理。利用电磁超表面的相位调制特性，分析了方形棋盘式、正交棋盘式、三角棋盘式、稀疏棋盘式的不同布阵形式对散射特性的影响；结合数字编码和智能优化算法，提出了具有漫散射、波束偏转、波束扫描特性的低RCS编码可控电磁超表面设计方法，实现了对散射波束的有效调控，实验验证了设计的有效性；.（4）以微带天线为例，研究了基于电磁超表面的高增益、宽带低RCS综合孔径共形天线的设计方法。考虑综合孔径共形天线辐射场的空间分布特点，分别从覆层加载和反射地加载两个方面将共享孔径电磁超表面与天线一体化设计，在提高天线增益的同时实现了RCS减缩；将电磁超表面单元合理布阵，使其既是辐射体又是散射超表面，同时实现了对电磁波的有效辐射和对散射波的抑制，解决了辐射、散射矛盾的技术难题。仿真和实验结果验证了设计的有效性。.在以上研究基础上，拓展研究了基于共享孔径电磁超表面的轨道角动量(OAM)涡旋电磁场产生方法。通过在同一孔径上构造多种电磁超表面单元，得到了多极化多波束和全空间OAM涡旋电磁波。