基于数字电磁超表面的天线辐射隐身一体化设计技术研究

The integrative design of antenna’s radiation and scattering performance, which is in urgent demands in future weaponry, has become an important trend in antenna stealth technique. As one kind of two-dimensional artificial surface, digital electromagnetic metasurface (DEMS) has entered the foreland of metamaterial research currently. This project will investigate antenna’s integrative radiation and stealth technique utilizing DEMS. By analyzing the field source of antenna radiation or scattering problem, the structural division manner for DEMS antenna (DEMSA) is explored. The influence role of DEMS in each division on antenna’s performace is investigated and the control mechanism of radiation and scattering field is revealed. Based on the digital characteristic of DEMS and the thought of “scatterer participates in radiation”, the geometric structure of DEMSA is proposed and the integrative design method is studied in details. Aimed at overcoming the limited working band of conventional metasurface and obtaining agile stealth, wideband active DEMS is proposed and applied to antenna design. Through the control mechanism investigation of DEMSA’s scattering field, wideband controllable stealth and well-behaved radiation performance is obtained simultaneously. The prospective achievements of this project will provide theoretical basis and technical support for the research and development of next generation stealth equipment.

隐身辐射性能一体化是装备发展对天线系统提出的新要求和新趋势，数字电磁超表面是超材料技术研究的前沿，项目将两者有机结合，提出并研究利用电磁超表面数字特征设计隐身辐射一体化天线的思路和方法。建立天线辐射散射问题的“场源”分析模型，探索针对不同“场源”特点的天线结构划分方式，分析子区域数字电磁超表面对天线性能的影响规律，研究数字电磁超表面天线的辐射散射控制机理；根据“散射体参与辐射”的一体化设计思路，基于电磁超表面的数字可控特点，提出数字电磁超表面天线的具体实现结构，研究天线辐射与隐身性能一体化设计的方法及特点；针对常见电磁超表面带宽受限和天线动态隐身难题，提出数字电磁超表面的宽带调控方法和可行途径，研究其对一体化天线辐射散射性能的动态调控机制，实现天线辐射与宽带可控隐身的一体化。预期研究成果将为下一代隐身装备的天馈系统研发提供理论基础和技术支撑。

隐身辐射一体化的天线设计技术是下一代天线技术的发展趋势。数字电磁超表面为一体化的天线设计提供了全新的解决方案。项目研究了利用电磁超表面的数字特征设计隐身辐射一体化天线的思路和方法。. （1）建立了数字电磁超表面天线的辐射、散射问题“场源”分析模型，研究了空间辐射场和散射场激励源的共性与不同。基于此，分析了几款常见的典型微带天线，探索了天线结构的区域划分方式，揭示了分区域结构与天线辐射、散射性能的内在联系，研究了数字电磁超表面与天线结构分区域的一体化方法，采用空间波合成、波模式转换等机理研究了天线散射场的控制方法，为数字电磁超表面天线辐射隐身一体化设计奠定了理论基础。. （2）提出了两种数字电磁超表面与天线一体化设计思路：即从天线到数字电磁超表面天线的思路和从数字电磁超表面到数字电磁超表面天线的思路。前者将天线阵元视为数字超表面，通过对天线的结构局部改变，在实现辐射性能的同时实现RCS减缩。后者采用逆向思维，从低RCS数字电磁超表面设计开始，通过引入适当的馈电，激励起部分超表面，从而得到低RCS数字电磁超表面天线。基于提出的一体化设计方法，设计了多款天线结构，研究了每种天线的隐身机理、辐射机理，加工了原理样件，验证了设计的有效性。. （3）对于有源器件的不同加载方式，构建了数字电磁超表面的拓扑结构与等效电路模型，研究了数字超表面的工作带宽与单元拓扑结构的关系，得出了拓展带宽的具体途径。以此为基础，采用空间馈电、强制馈电等方式，研究了基于数字可控电磁超表面的天线辐射隐身一体化设计，实现了天线由固定隐身向宽带可控隐身的转变。. 此外，拓展研究了紧凑型电磁超表面和多功能一体化电磁超表面，得到了紧凑型宽带极化旋转、极化旋转与吸波复合超表面。