平台天线一体化宽带隐身关键技术研究

发布时间：2018-11-11 20:17

【摘要】：雷达性能的提升促使飞行载体平台的隐身特性被广泛关注。天线作为平台上一种特殊的散射源,极大地影响了平台自身的雷达散射截面(RCS),天线的散射缩减成为天线领域的一个研究热点。平台上天线的辐射问题已经获得了广泛的研究,而平台天线一体化的散射问题还有待深入研究。该问题的特殊性主要体现在多尺度和宽频带两个方面。本文围绕这一问题,在散射计算和散射缩减两个方面展开研究。在散射计算方面,本文对常用的电磁场时域数值计算方法——时域有限差分(FDTD)的优缺点进行了分析。针对其色散误差大的不足之处,提出了一种非标准的FDTD方法,即电场和磁场分别使用不同的计算公式进行计算。本文系统分析了该方法在显式和隐式两种情况下的数值特性,并与参考的高阶方法进行对比。理论分析和数值计算结果均表明,该方法可以在较小的计算量下得到与相应高阶方法相当的色散精度。此外,本文将亚网格技术和高阶方法相结合,得到了一种适用于分析多尺度问题的混合方法。在高阶区域可以灵活运用不同阶数的差分格式,而在亚网格区域采用了子时间步进,进一步减小计算量。通过该方法分析了一款有限大频率选择表面(FSS)结构。在平台上天线散射缩减方面,本文根据天线在平台上的两种主要安装位置以及实际中平台需要高度关注的隐身角域范围,分别研究了天线在掠入射和正入射两种情况下的散射缩减。对于掠入射情况,为了避免天线馈电结构对散射的影响,同时为了考虑天线与其周围平台结构的耦合,基于小型隐身平台和天线的一体化模型对微带天线掠入射情况下的散射特性进行了分析。根据平台上电流的分布特性,对微带天线进行了锯齿形设计来降低其在关心角域内的散射,对低散射平台和天线进行了加工验证。将天线形状设计的思路运用于嵌入式盘锥天线的圆盘和腔体的设计,同样获得了良好的散射缩减效果。对正入射情况,采用了对消的思想对天线散射进行缩减。对常用的棋盘对消表面的设计准则进行了分析,在此基础上对带反射板的偶极子天线进行了散射缩减设计,分析了对消表面在天线设计中的散射缩减效果及其对天线辐射特性的影响,仿真与测试结果表明在获得良好散射缩减效果的同时,对消表面反射板对偶极子天线辐射特性影响不大,同时能够降低天线剖面高度。对于对消技术在微带天线阵方面的应用,考虑到常规通过增加额外结构进行散射对消的方法一般情况下会使阵列单元间距增大,不利于宽角扫描。本文则采用混合单元组阵的方式来获得对消效果,通过在微带天线贴片上开缝,控制贴片在交叉极化方向的谐振频率,使得开缝单元与未开缝单元的散射相位之差在关心频段内接近反相,达到对消效果。为了验证对消设计,对部分模型进行了加工测试。对用于天线带外散射缩减的一种通用方法——FSS天线罩的相关问题进行了研究。对常用FSS单元的电路模型进行了分析,并给出了从S参数提取等效电路元件参数的方法。通过数值仿真提取单层FSS结构的S参数进而提取其等效电路元件参数,利用参数插值技术,结合等效电路方法,快速获取多层FSS单元结构的透射特性。在此基础上对一款二阶FSS结构的圆极化波透波特性进行了优化设计,并进行加工测试。此外,借助等效电路模型对FSS的理解,结合交指电容和折叠电感结构设计了一款小型化FSS单元,并以此构建屋脊形FSS天线罩,用于微带阵列天线的带外散射缩减。结合天线阵自身的带内散射缩减设计,同时获得了天线在带内和带外的散射缩减,相关结构被加工测试用于验证设计。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN820

【参考文献】