基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线及设计方法

本发明属于雷达通信，尤其涉及一种基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线及设计方法。

背景技术：

1、相控阵天线在多种领域都有着广泛的应用，随着通信环境越来越复杂和多变，通信系统对相控阵天线的性能要求也越来越高，越来越全面。相控阵天线的宽角域扫描在提高覆盖范围、增强目标检测能力、提高系统灵活性和抗干扰能力等方面具有重要的意义，宽角域扫描是相控阵天线系统在多种应用场景下的关键技术之一。

2、早期的宽角域扫描相控阵天线通过使用机械转动方式来实现较大的扫描区域，此种方式虽然获取了一定的进步，但未从根本解决制约宽角域扫描的问题，并且有一定缺点。机扫相控阵天线通过机械装置实现扫描，速度相对较慢，灵活性较低。而电扫相控阵天线则通过电子调控实现快速的波束转向和灵活调整，具有较高的灵活性。在实际应用中，宽角域扫描相控阵天线具有诸多意义。其通过调整单元的相位和幅度实现快速、精确的空域扫描，提高了系统性能、扩展了功能。宽角域扫描相控阵天线作为一种先进的天线技术，在通信、雷达、航空航天等领域具有广泛的应用前景。其研究旨在不断拓展其在各种应用领域的应用范围和性能指标，从而实现更灵活、可靠且高效的系统工作。通过针对宽角域扫描相控阵天线的设计、制造和调控方法展开深入研究，可以为未来的通信和雷达系统提供更强大的技术支持。

3、近年来来针对宽角域的电磁波吸收的吸波器研究成果丰富，有很多技术点的创新，许多关于吸波宽角域突破的结构被提出。尤其是根据广义布儒斯特角理论来设计超宽角域斜入射电磁吸波表面的方法较为灵活，且具有优越性。将广义布儒斯特角理论与天线-吸波器互易理论结合，可以将超宽角域内的吸波转化为辐射，更加适合解决相控阵天线宽角突破的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线及设计方法，将广义布儒斯特角理论与天线-吸波器互易理论结合，以解决相控阵天线宽角突破的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线设计方法，包括如下步骤：

4、s1.设计超宽角域斜入射电磁吸波表面；具体包括：

5、s10.确定超宽角域扫描相控阵天线的空间角度，基于广义布儒斯特阻抗匹配理论，根据空间角度计算出电磁吸波表面所需的目标相对介电常数和目标相对磁导率张量；

6、s11.根据目标相对介电常数和目标相对磁导率张量确定超宽角域斜入射电磁吸波表面的最优结构参数，以使具有该最优结构参数的超宽角域斜入射电磁吸波表面的仿真相对介电常数与目标相对介电常数相等、仿真相对磁导率张量与目标相对磁导率张量相等；最优结构参数至少包括介质基板上的金属图案结构各部分尺寸、金属图案结构加载电阻的阻值、介质基板材质、介质基板厚度和空气层厚度；

7、s2.将具有最优结构参数的超宽角域斜入射电磁吸波表面加载的电阻转化为阻抗一致的馈电端口，并将超宽角域斜入射电磁吸波表面的最优结构参数转化为超宽角域辐射天线单元；

8、s3.将n个超宽角域辐射天线单元进行组阵，通过改变每个超宽角域辐射天线单元的相位实现波束扫描，得到超宽角域扫描相控阵天线。

9、作为一种可能的实现方式，s10中，通过如下公式计算出电磁吸波表面所需要的目标相对介电常数和目标相对磁导率张量：

10、

11、其中，θ为空间角度；εn为目标相对介电常数的法向分量；εt为目标相对介电常数的切向分量；μt为目标相对磁导率张量的法向分量。

12、作为一种可能的实现方式，s11具体包括如下步骤：

13、s110.配置结构参数的初始值；

14、s111.仿真并获得超宽角域斜入射电磁吸波表面的仿真相对介电常数和仿真相对磁导率张量；

15、s112.判断仿真相对介电常数是否等于目标相对介电常数，且同时判断仿真相对磁导率张量是否等于目标相对磁导率张量；如相等，则跳转至s114；否则，则跳转至s113；

16、s113.采用单一变量法，逐一调整结构参数，并返回s111；

17、s114.确定最优结构参数。

18、第二方面，本发明提供一种超宽角扫描相控阵天线，采用第一方面提供的基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线设计方法设计形成；超宽角扫描相控阵天线包括呈规则矩阵排列的n个超宽角域辐射天线单元；每一超宽角域辐射天线单元均包括介质基板，形成在介质基板上表面的金属贴片，位于介基板正下方的金属地板，一端与开设在介质基板中心位置的馈电端口连接、另一端与贯穿金属地板的馈电接头连接的微带线巴伦结构，以及形成在介质基板和金属地板之间的空气层。

19、作为一种可能的实现方式，金属贴片包括工字形金属贴片，对称设置在工字形金属贴片所具有的横梁两侧的长方形金属贴片，以及开设在横梁中心点的馈电端口。

20、作为一种可能的实现方式，介质基板的材料为介电常数为2.2、相对磁导率为1.0的rogers rt5880；介质基板的长、宽、厚为17mm×15mm×0.5mm；工字形金属贴片所具有的两臂的长和宽均为8.7mm×1.9mm；横梁的长和宽为14.4mm×0.5mm；长方形金属贴片的长和宽均为8mm×3mm，间距为0.7mm；

21、金属地板的长和宽为102mm×90mm；

22、空气层厚度为17.5mm。

23、作为一种可能的实现方式，微带线巴伦结构的一端设置有凸起，用于插接馈电端口；设置有凸起一端的微带线宽度较与其相对的一端窄；微带线巴伦结构的正面为微带线，背面为地板结构。

24、作为一种可能的实现方式，微带线巴伦结构的材质为介电常数为4.4、相对磁导率为1.0的fr4；微带线巴伦结构的尺寸为17.5mm×17mm×0.8mm；微带线的平行双线端的宽度为0.08mm，阻抗为250ω；馈电端的宽度为1.52mm，阻抗为50ω。

25、作为一种可能的实现方式，超宽角扫描相控阵天线由1×8的超宽角域辐射天线单元阵列构成。

26、第三方面，本发明提供一种终端，应用第二方面提供的超宽角扫描相控阵天线。

27、与现有技术相比，本发明具有如下效果：

28、1.本发明提供的基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线及设计方法，首先设计出合适的电磁吸波表面，通过将电磁吸波结构单元的表面负载转化为阻抗一致的天线馈电端口，实现了电磁吸波表面和天线的互易，将天线单元进行组阵从而设计出所需的相控阵天线阵列。

29、2.本发明提供的基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线及设计方法，将广义布儒斯特角理论与天线-吸波器互易理论结合，突破了相控阵天线宽角扫描的技术难点。

30、3.本发明提供的基于电磁表面互易性的超宽角扫描相控阵天线设计方法，利用广义布儒斯特阻抗匹配定理对空间角度控制的灵活性，在设计效率、指标突破等多个方面有着较大的优势，能在各类复杂环境下的通信系统中发挥巨大作用。