基于混合人工电磁结构的宽带低后向散射宽角度扫描相控阵天线研究

Planar wide-angle scanning phased arrays have powerful advantages in modern radar and satellite communication systems due to their wide angular field of view. However, they are also easy to be discovered and tracked because of their high radar cross section (RCS). How to consider the wideband, wide-scan and low backward scattering performance of a phased array simultaneously, and reliaze the co-design of the reflection, radiation and scattering performance is the research core of this project. To this end, we combine the design of wideband phased arrays and wideband low-scattering techniques, and finally realize the designs of wide-angle scanning phased arrays with broadband low-scattering performance. Our research includes: (1) Theory research on the co-design of the wide-scan and low-scattering performance based on a dual-layer frequency selective surface (FSS) structure , (2) Research on the design method of low-scattering wide-angle scanning phased arrays based on an FSS-metamaterial absorber (MA) hybrid artificial structure, and (3) Research on the enhancements of the array active reflectiond bandwidth in the wide-scanning range and the backward scattering reduction bandwidth. The development and implement of this project provide a systematic theory and an analytical model for the realization of wide-angle scanning and broadband low scattering simultaneously.

平面宽角度扫描相控阵天线因其具有宽视场角度特性而在当今的雷达及卫星通信等系统中具有突出的应用优势和前景，却也因为存在较大的雷达散射截面而易于被发现或跟踪。如何兼顾相控阵天线宽频带、宽角度扫描和低后向散射性能，实现反射、辐射与散射性能的综合设计是本项目的研究核心。为此，本项目将宽带相控阵天线设计与宽带低散射技术相结合，为实现具有宽带低散射特性的宽角度扫描相控阵天线开展了一系列研究，具体包括了：（1）基于双层FSS结构的宽角度扫描与低后向散射设计的协同实现机理研究；（2）基于双层FSS-超材料吸收器混合人工电磁结构的低后向散射宽角度扫描相控阵天线设计方法研究；（3）基于混合人工电磁结构的相控阵天线宽角扫描范围内有源反射带宽与后向散射抑制带宽的拓展研究。本项目的开展和实施为平面相控阵实现宽带大角度扫描和宽带低后向散射提供了一套系统的理论和分析模型。

在现代信息化条件下，很多战场环境都要求我们的作战平台和重要装备具备信息处理智能、功能多样兼容、生存能力强大以及作战成功率高等属性，这些性能需求对作战平台的辐射与散射综合特性提出了极大的技术挑战。相控阵天线作为作战平台的重要前端，在设计上融合上述性能需求，能够为作战平台实现宽带宽视角范围内高性能扫描、散射波束调控与赋形等应用提供了一套系统的理论和分析模型。本项目基于此研究背景，系统深入地研究了宽带低后向散射宽角度扫描相控阵天线的基础理论与关键技术，实现辐散性能由传统的单向性能累加到双向集成实现的进阶提升。主要的研究内容、关键结果和科学意义如下：首先，研究了基于人工电磁结构的宽角度扫描与宽带低后向散射的实现机理并建立二者之间的机理联系，确立了双层人工电磁结构作为表面波波导与频率选择表面结构的分析模型与等效电路并分析得到的传播常数等相关电磁性能参数，并基于此提出了一系列表面波天线、低雷达散射截面天线、宽角度扫描相控阵天线的设计；然后，基于双层FSS结构及其初始天线模型，构建并研究了双层FSS-超材料吸收器混合人工电磁结构，提出了一种结合入射波能量吸收与入射波能量透射的宽带低散射端射表面波天线的设计方法。最后，进一步拓展相控阵天线的辐射与散射性能，提出了兼具宽带低后向散射与宽带宽角度扫描性能的相控阵天线设计方法，通过数款相控阵天线的设计实例验证了所提出方法。本项目的开展和实施为平面相控阵实现宽带大角度扫描和宽带低后向散射提供了一套系统的理论和分析模型。依托本项目，项目组在国内外IEEE TAP等权威学术刊物上发表相关学术论文14篇（包括SCI期刊论文11篇，EI会议论文4篇），授权中国发明专利4项。此外，依托该项目培养博士/硕士研究生6名。