大规模阵列快速计算及电磁对消隐身方法研究

Efficient and accurate calculation and stealth design of antenna array are key technologies for the implementation of weapon stealth. However, full-wave analysis methods are low efficient for large array problem, and the traditional radar stealth technologies are incapable for in-band bi-/multi-static radar detection in cooperating with radiation synthesis of ultra-wide band arrays. In order to solve these problems, this project extends the subarray and the electromagnetic cancellation strategy to the analysis and stealth design of large scale array, respectively. Firstly, based on the electromagnetic wave spherical modal analysis theory, this project proposes a new method for separating each element embedded pattern from total field radiated and scattered by the array. Combining with the subarray strategy, efficient calculation and separation of structural and antenna mode scattering of large scale array is successfully implemented. Finally, array radiation and scattering synthesis method is proposed by employing the proposed subarray calculation method to evaluating the objective function of optimization algorithm. The new calculation method can remarkably reduce the computing storages and time requirements while obtaining the similar precision compared with the full-wave technologies. Meanwhile, the new stealth method can simultaneously generate prescribed radiation and scattering patterns of large scale arrays. Thus, the research achievements have important values on improvement the survive and deep attack capabilities of our military system.

阵列天线的高效高精度计算与高隐身设计是飞行器等武器平台实现隐身化需要解决的关键技术，然而，全波计算技术在处理大规模阵列问题时效率低下，并且传统雷达隐身技术难以在兼顾超宽带阵列天线辐射波束控制的前提下、有效对抗其带内双/多基雷达组网探测。本项目将研究基于子阵策略的大规模阵列计算技术与基于电磁对消策略的阵列辐散射综合控制技术，主要内容包括：首先，依据模式展开与模式滤波理论，建立单元阵中场分离的新方法；然后，以此为基础结合子阵策略，开发大规模阵列辐/散射快速计算技术、及其结构模式项与天线模式项散射场分离技术；最后，建立基于电磁对消的阵列辐散射控制模型，结合上述子阵计算技术与阵列综合算法，开发大规模阵列辐射与散射综合优化技术。课题研究成果可用于高性能大规模超宽带阵列天线的分析与设计，既保证其探测、通信等任务所需辐射波束综合，又有效提升其对抗带内单基雷达探测、以及双/多基雷达组网探测的隐身能力。

多任务机载等雷达需要大规模收发阵列天线才能满足严重杂波和干扰情况下探测移动目标的需求，其高辐射低散射设计对于推动我国隐身武器平台的发展具有重要意义。然而全波计算技术在处理大规模阵列问题时效率低下，传统雷达隐身技术难以在控制辐射波束的同时对抗带内双/多基雷达组网探测。因此项目开发了模式滤波结合子阵策略的电磁快速计算新技术、以及基于电磁对消策略的辐射与散射综合优化新技术，具体研究内容与成果如下：.(1)推导了基于模式展开与模式滤波理论的阵元场源贡献分离解析公式，结合一次阵列总场计算与测量数据，即可数学分离各阵元的阵中场。突破了单元阵中散射场无法提取的工程难题，解决了单元阵中辐射场逐个提取的耗时问题。该技术可转化应用于天线单元阵中贡献评估与故障诊断。.(2)首次提出将上述单元阵中场分离方法结合子阵策略的大规模阵列电磁计算技术，突破了128GB内存单机上逾万阵元规模电磁计算技术瓶颈。与全波方法相比，计算误差小于1dB，计算内存与时间降低90%以上。项目方法可转化为电磁计算软件，为阵列天线、电磁周期结构分析提供软件平台。.(3)基于项目计算方法，推导了阵列结构模式项与天线模式项散射场的解析分离公式。与全波方法相比，计算误差小于1dB，计算内存和时间均降低90%以上。该项成果可为阵列隐身方案制定提供理论指导，提升设计效率与效果。.(4)将项目计算方法结合优化算法，提出基于电磁对消的阵列辐射与散射综合控制技术，突破了二者相互制约的瓶颈问题。项目通过Vivaldi、紧耦合平面阵列、以及共形微带阵列天线等实验，证实项目方法可将阵列天线副瓣抑制于-25dB以下，且单/双站RCS水平抑制大于20dB。项目方法无需采用雷达吸波材料和进行天线低散射结构设计，为阵列天线的隐身设计提供了一条崭新有效的技术途径。.课题开发了大规模阵列快速计算软件、及其辐射与散射综合控制软件，其中计算软件已转化应用于电大复杂共形频选天线罩的电磁特性分析，产生了较好的经济与军事效益。三年项目研究周期内，已见刊并标注本项目的论文15篇，其中SCI检索期刊论文10篇、EI检索期刊论文2篇、国际会议论文3篇；申请国家发明专利3项、授权2项。