基于分形人工电磁材料的阵列天线RCS缩减技术研究

Aiming at the in-band polarization stealth requirement of antenna array, the stealth techniques of antenna array based on fractal metamaterial have been studied in terms of two approaches: the principle of absorber and the principle of passive phase cancellation. The multi-port network model of antenna array has been established, and the effects of different loaded impedance on different scattering modes of antenna array was analyzed, leading to the establishment of a theory of the scattering fields of antenna array. Based on the theories of fractal electrodynamics, broadband and miniaturized fractal metamaterial unit cells were designed according to several fractal structures such as Koch, Sierpinski, Hilbert. Using the method of fractal array, a method of design incorporating both metamaterial and antenna array has been presented. By optimizing the number of units, fractal dimensions and array distribution, the radar cross section(RCS) reduction of antenna array was realized in terms of material absorption and the pattern optimization of array factors. The method was based on the passive phase cancellation screen of the fractal array, which was further extended to be used with the generalized absorbing screen of non-uniformity phase distribution. Through optimizing the distribution of reflection phase using the taylor synthetized method and particle swarm optimization method, the major lobe of scattering field of antenna array was transfered to the arbitrary designated direction with low threat, realizing the RCS reduction of antenna array at high-threat direction.

针对阵列天线的带内同极化隐身需求，从吸波与相位对消两个角度，对基于分形人工电磁材料的阵列天线隐身技术进行研究。建立阵列天线的多端口网络模型，采用波函数展开法分析不同负载阻抗对阵列各散射模式的影响规律，形成完备的阵列天线散射理论；基于分形电动力学理论，从Koch、Sierpinski、Hilbert等分形方式入手，对人工电磁材料单元进行分形化设计，实现小型化、宽频带目的；提出采用分形组阵的方式对人工电磁材料与阵列天线进行一体化设计，通过对单元个数，分形维度，排列方式的优化，从材料吸波与阵因子方向图优化的角度实现天线阵RCS减缩；提出基于分形布阵的相位对消屏设计方法，并将该方法推广为更具一般性的非均匀相位分布屏设计。采用泰勒综合法和粒子群优化算法，通过对反射相位分布的优化，将阵列散射主瓣偏移至任意低威胁方向，实现天线阵高威胁方向RCS减缩。

研究了分形和宽带人工电磁材料的吸波、相位调制、部分反射和极化旋转特性及其在天线RCS减缩中的应用。. （1）建立了天线散射问题的多端口网络模型，研究了阵列天线散射场的形成机理及计算方法，分析了不同负载阻抗对天线各散射模式的影响；提出双站散射因子的概念，从天线散射基本理论出发，推导出阵列天线双站散射场表达式，分析并计算了阵列天线双站散射峰值角度、峰值数目与单元间距变化的关系，为阵列天线强散射方向调控和低RCS阵列快速设计奠定了理论基础；. （2）研究了分形实现人工电磁材料宽带、小型化的机理，设计了三阶十字分形、树状分形吸波结构和分形人工磁导体结构，分析了其吸波特性和空间散射场相位分布特性随入射波频率、入射方向和极化特性的关系；通过集总加载、多谐振级联等方式，设计了多种宽带人工电磁材料吸波结构和宽带部分反射结构并通过实验验证，有效拓展了RCS减缩带宽；. （3）研究了通过空间散射场相位对消降低RCS的原理和方法，提出基于分形人工电磁材料布阵的相位对消屏设计方法。研究了低RCS性能与照射雷达波方向、极化的关系，以大角度单站低RCS为目标，采用粒子群优化算法研究了编码人工电磁材料对RCS散射方向的调控。通过对反射相位分布的优化，将散射主瓣偏移至任意低威胁方向，实现高威胁方向RCS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，研究了利用上述人工电磁材料缩减天线RCS的方法，分析了人工电磁材料吸波特性、同相反射特性、部分反射特性和极化旋转特性缩减天线RCS的原理，研究了人工电磁材料不同加载方式对天线辐射和散射特性的影响规律。通过人工电磁材料与天线一体化优化设计，实现了阵列天线RCS的有效减缩，同时保证了天线的良好辐射。仿真和实验表明，人工电磁材料的加载，既能保持、甚至提高天线辐射特性，同时又能有效降低天线RCS，特别是采用分形方法设计的宽带、小型化人工电磁材料能大大拓展天线低RCS带宽，为天线宽带RCS减缩提供了有效的方法。