CN101640310A - 低雷达散射截面的超宽带仿生天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低雷达散射截面的超宽带仿生天线，主要解决现有超宽带天线雷达散射截面高，易被雷达发现的问题。该低雷达散射截面的超宽带仿生天线包括辐射单元(2)、辐射地板(3)和SMA同轴转换接头。天线辐射单元和天线辐射地板分别印制在介质材料板(1)的两侧，并且分别与SMA同轴转换接头的内芯(4)和外芯(5)相连。该辐射单元按照类似昆虫触角的设计思路设计为由一个矩形柱和对称分布在该矩形柱上的多个圆弧条组成的扇形结构，这些圆弧条的圆心角角度相同，半径尺寸自上而下按等间隔递增；该辐射地板为两边倒有90度圆弧角的矩形。本发明具有频带宽、隐身性能好的优点，可作为隐身目标载体上的超宽带天线。

Description

低雷达散射截面的超宽带仿生天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是一种仿生天线，可用于隐身和超宽频带的接收和发射。

背景技术

雷达散射截面RCS是雷达探测技术、隐身和反隐身技术中表征目标可识别特性的一个最基本的参数，是目标在平面波照射下在给定方向上返回功率的一种量度。雷达散射截面减缩就是控制和降低军用目标的雷达散射截面，降低敌方电子探测系统和武器平台战斗效力，从而提高军用目标的突防能力和生存能力。如何减缩目标的雷达散射截面，减缩效果如何，对当前面临的复杂电磁环境下战争的胜败意义重大。对于低可见平台，对其总雷达散射截面贡献较大的是平台上的天线。减缩天线单元的雷达散射截面对于减缩大型阵列天线的雷达散射截面尤为重要。但是由于天线系统自身工作特点，它必须保证自身雷达波的正常接收和发射，因此常规的隐身措施不可以简单地应用在天线隐身中，这就使天线系统隐身成为隐身技术中难以解决的问题。目前国内外还没有找到一种完全理想的途径，既可显著降低天线的雷达散射截面又不影响天线对电磁波的发射和接收，这就使得发明同时满足辐射特性、散射特性要求的天线更加重要。

天线是一类特殊的散射体，它的散射通常包括两部分：一部分是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场，它是天线接匹配负载时的散射场，其散射机理与普通散射体相同；另一部分则是随天线的负载情况变化的天线模式项散射场，它是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是天线作为一个加载散射体而特有的散射场。在此理论基础上，有一种分析天线散射的模型，利用天线馈电端口的开、短路两种状态下天线的散射场确定天线的结构模式项散射场和天线模式项散射场，解决了两者之间相位关系难以确定的问题。任意负载状态下天线的散射场可以由天线在前面两种状态下得到的散射场计算得到。利用该模型即可求解各种天线的雷达散射截面特性。

超宽带技术，在美国FCC最新的定义中，规定3.1GHz～10.6GHz为实际适用频谱范围。超宽带雷达系统具有较高的距离分辨率和宽的频谱，具有精确的目标识别能力，能获得复杂目标的细微特征，在反隐身、反导以及目标识别等方面具有广泛的应用价值。同时，为了提高超宽带雷达的战场生存率，必须对其进行隐身处理。超宽带天线是超宽带雷达系统中最主要的外部设备，所以研制低雷达散射截面的超宽带天线具有重要的意义。

随着超宽带技术的发展，对具有超宽带频谱特性的天线的需求越来越大。在过去，很多宽带单极子形式的天线被广泛应用于超宽带系统中，例如辐射单元为圆形，方形，椭圆形，五角形，六角形等的天线，这些天线可以很好的满足天线的带宽特性。但是这些天线的辐射地板与辐射单元往往不在同一平面，不利于天线与载体共形，因而限制了这些超宽带天线的实际工程应用；图1给出了现有的一种超宽带平面单极子天线，天线正面印制有半径为16毫米的圆形辐射单元，反面印制有长为42毫米，宽为16毫米的矩形辐射地板，该天线虽具有良好的超宽工作频带，但是圆形的辐射单元使其天线雷达散射截面很高，不利于天线的隐身。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有宽带天线的缺点，提出一种低雷达散射截面的超宽带仿生天线，以减小天线雷达散射截面，易于天线的隐身，并实现天线与载体的共形。

本发明的目的是这样实现的：

1.技术原理

仿生学是研究生物体结构和性质，并为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。生物体的结构是经过长期的自然选择和进化而形成的，不适应环境的生物体将被淘汰。仿生学的任务就是要研究生物体的优异能力及产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。

昆虫的触角是昆虫接触和感知外界世界的主要器官，尤其是触角上的须可使昆虫有效地接收外界信息，因而在一定意义上昆虫触角的功能与天线的功能是相似的。所以本发明的技术思路是将昆虫触角须的结构应用到天线的设计中，以改善天线的性能。

业内周知，天线的辐射单元形状和辐射地板形状决定天线的性能。根据仿生学原理，将天线的辐射单元设计为类似昆虫触角的形状，将辐射地板设计为两边倒有90度圆弧角的矩形，将有利于降低天线的雷达散射截面和展宽天线的工作频带。

2.天线结构

本发明的超宽带仿生天线包括：辐射单元、辐射地板和SMA同轴转换接头，天线辐射单元和天线辐射地板分别印制在介质材料板的两侧，并固定在SMA同轴转换接头上。所述的辐射单元是由一个矩形柱和对称分布在该矩形柱上的多个圆弧条组成的扇形结构。这些圆弧条的圆心角角度相同，半径尺寸自上而下按等间隔递增。

所述的圆弧条，其中最上面弧条和最下面弧条的半径比例为3∶31，这些圆弧条在矩形柱上按等距离间隔分布；圆弧条的宽度与圆柱宽度比为1∶1.2。辐射地板的形状为带有90度圆弧角的矩形。辐射单元与辐射地板分别与SMA同轴转换接头的内芯和外芯相连。

本发明由于利用类似昆虫触角须的形状将天线的辐射单元设计为一个矩形柱和对称分布在该矩形柱上的多个圆弧条组成的扇形结构，从而有效地减小了辐射单元的表面覆盖面积，使其与现有的同种天线相比具有更低的雷达散射截面，便于实现天线隐身；同时辐射单元中的圆弧条结构和辐射地板的两边倒有90度圆弧角的矩形结构，使本发明天线相比普通的天线有着更宽的工作频带；此外由于将天线的辐射单元、辐射地板分别印制在介质材料板的上下表面，实现了天线的平面化，利于天线与载体共形。

理论计算结果和实测结果表明，本发明天线同时具有超宽频带特性和低雷达散射截面特性。本发明天线可实现3.0GHz～14.0GHz的工作频带；本发明天线在垂直于天线表面这一威胁角度上的单站雷达散射截面比现有的天线低，更易于天线的隐身。

附图说明

图1是现有的超宽带微带贴片天线整体结构图；

图2是本发明的天线整体结构图；

图3是本发明天线辐射单元和辐射地板结构示意图；

图4是本发明天线的工作频率-电压驻波比曲线图；

图5是本发明的天线在x-y面和y-z面的远场方向图；

图6是本发明天线终端接开路负载和短路负载时的RCS曲线图；

图7是本发明天线与现有天线RCS曲线比对图。

具体实施方式

参照图2，本发明主要由介质材料板1、辐射单元2、辐射地板3和SMA同轴转换接头构成。介质材料板1选用介电常数为4.4的双面覆铜介质材料板，辐射单元2印制在材料板的正面，辐射地板3印制在材料板的反面。SMA同轴转换接头的内芯4和外芯5分别与天线的辐射单元2和辐射地板3焊接在一起。

参照图3a，本发明天线的辐射单元根据类似昆虫触角的形状而设计，它由一个矩形柱21和对称分布在该矩形柱上的多个圆弧条22组成，形成一个扇形结构。这些圆弧条的圆心角角度相同，半径尺寸自上而下按等间隔递增。圆弧条的个数是根据圆弧条的宽度和间隔以及最下面弧条与介质材料板下边缘的间距共同决定的，且最上面弧条和最下面弧条的半径比例为3∶31。每个圆弧条均对称于矩形柱21，且在矩形柱上按等间隔分布。矩形柱21宽度与圆弧条22的宽度比为1.2∶1。辐射单元对称于材料板的中心线，其下边缘与介质材料板的下边缘对齐。

参照图3b，本发明天线的辐射地板3印制在介质材料版的反面，辐射地板为两边倒有90度圆弧角的矩形，矩形的长度与介质材料板的宽度相等，辐射地板对称于材料板的中心线，其下边缘与介质材料板的下边缘对齐。

根据上述结构本发明给出制作圆弧条数为8个的天线结构如下：

材料板1选择长为50毫米，宽为42毫米，厚度为0.8毫米，介电常数为4.4的双面覆铜材料板。

辐射单元2由一个矩形柱21和对称分布在该矩形柱上的八个圆弧条组成的扇形结构。矩形柱21的长为47.2毫米，宽为1.2毫米。八个圆弧条对称于矩形柱21，并在矩形柱上按等间距分布，间距为4毫米，且最下面的圆弧条与介质材料板的下边缘间距为16.6毫米。八个圆弧条圆心角的度数均为80度。八个圆弧条的半径尺寸自上而下按等间隔递增，且满足最上面弧条和最下面弧条的半径比例为3∶31，分别为3毫米，7毫米，11毫米，15毫米，19毫米，23毫米，27毫米，31毫米。圆柱与八个圆弧条的宽度比为1∶1.2，均为1毫米。整个辐射单元的下边缘与材料版的下边缘平行对齐。该辐射单元印制到材料板的上表面，并在铜箔表面图形上形成耐酸性的保护层。

辐射地板3为两边倒有90度圆弧角的矩形，矩形的长度与介质材料板的宽度相等，为42毫米，矩形的宽度为16毫米。辐射地板对称于材料板的中心线，且其下边缘与介质材料板的下边缘对齐。该辐射地板印制到材料板的下表面，并在铜箔表面图形上形成耐酸性的保护层。

在介质材料板1的正反面分别印制完辐射单元和辐射地板后，用腐蚀剂三氯化铁腐蚀掉表面多余的金属部分，再对其表面进行电镀，最后对整体进行裁剪修整，并将同轴转接头焊接到介质材料板上，将其内芯与辐射单元中的矩形柱的下端焊接，将其外芯与辐射地板焊接，最终制得天线。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

1、仿真内容

利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、远场辐射方向图、和单站雷达散射

截面进行仿真计算。

2、仿真结果

图4为天线的工作频率-电压驻波比曲线。通过图4可发现，本发明天线在电压驻波比小于3.0条件下的工作频带为3.0GHz～14.0GHz，说明本发明天线具有良好的宽带特性，除了能够满足超宽带天线所要求的3.1GHz～10.6GHz频带外，也可兼顾到周围的频带。

图5为天线的X-Z面和Y-Z面的远场增益方向图，其中图5a为天线工作在3GHz时的远场方向图，图5b为天线工作在5GHz时的远场方向图，图5c为天线工作在7GHz时的远场方向图。从图5可看出，天线的最大辐射方向保持稳定。所以说本发明天线具有良好的超宽带方向图特性。

图6为本发明天线终端接开路负载和短路负载时的RCS曲线图，该图中的曲线是在天线SMA同轴转换接头分别接开路负载和短路负载时计算出的单站雷达散射截面随工作频率变化的曲线。这里提到的单站雷达散射截面是指在平面波的入射和接收方向平行于z轴方向，极化方式为x极化的条件下计算得到的。通过这两条曲线中的数值可计算出天线在任意负载下的雷达散射截面。

图7为计算出的本发明天线与现有天线的单站雷达散射截面对比图，从图7中可看出，本发明天线在2GHz～20GHz的平面波照射下的单站雷达散射截面小于现有天线，说明本发明设计的天线具有比现有天线更小的雷达散射截面，更适合在隐身目标体上使用，利于天线隐身。

Claims (6)

1.一种低雷达散射截面的超宽带仿生天线，包括辐射单元、辐射地板和SMA同轴转换接头，天线辐射单元和天线辐射地板分别印制在介质材料板的两侧，并固定在SMA同轴转换接头上，其特征在于辐射单元由一个矩形柱和对称分布在该矩形柱上的多个圆弧条组成的扇形结构；这些圆弧条的圆心角角度相同，半径尺寸自上而下按等间隔递增。

2.根据权利要求1所述的超宽带仿生天线，其特征在于最上面弧条和最下面弧条的半径比例为3∶31。

3.根据权利要求1所述的超宽带仿生天线，其特征在于每个圆弧条对称于矩形柱，并在矩形柱上按等间距分布。

4.根据权利要求1所述的超宽带仿生天线，其特征在于圆弧条的宽度与圆柱宽度比为1∶1.2。

5.根据权利要求1所述的超宽带仿生天线，其特征在于辐射地板为两边倒有90度圆弧角的矩形。

6.根据权利要求1所述的超宽带仿生天线，其特征在于天线辐射单元和辐射地板分别印制在材料板的两侧，并且分别与SMA同轴转换接头的内外芯相连。

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