CN102117971B

CN102117971B - 低散射平面反射阵列天线

Info

Publication number: CN102117971B
Application number: CN 201110001513
Authority: CN
Inventors: 徐云学; 赵晋娟; 龚书喜; 刘�英; 张鹏飞; 任立石
Original assignee: Xidian University
Current assignee: GUANGDONG MIKWAVE COMMUNICATION TECH Ltd
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-01-06
Also published as: CN102117971A

Abstract

本发明公开了一种低散射的平面反射阵列天线，主要解决现有阵列天线辐射特性与低RCS特性之间的矛盾。该天线包括馈源(1)、上介质板(2)、下介质板(3)、辐射阵列(4)、频率选择表面(5)和支撑架(6)。馈源(1)采用矩形微带结构，通过支撑架(6)固定在上介质板(2)的上方；辐射阵列(4)由多个中空正方形或中空圆形辐射单元(401)，在圆域内排列而成，印制在上介质板(2)的正面；频率选择表面(5)由多个相同的中空正方形或中空圆形频率选择单元(501)，在矩形域内排列而成，印制在下介质板(3)的背面；上下介质板之间采用间隙固定。本发明能有效的降低反射阵列天线的RCS，可直接用于武器平台的隐身设计中。

Description

低散射平面反射阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及平面反射阵列天线，可用于隐身武器的平台设计。

背景技术

随着信息技术的迅猛发展，现代探测设备和武器系统向智能化、高精度、远距离发展，传统的作战武器在战场上生存能力、突防和打击能力受到严重的威胁。隐身技术的出现极大地提高了武器装备的生存能力、战斗能力，尤其是纵深打击能力。隐身技术已经成为集陆、海、空、天、电磁六维一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段之一，并受到世界各国的高度重视。在现代战争中，雷达仍然是探测、识别目标的比较可靠的手段之一，研究目标的雷达特征信号控制是隐身技术研究的重点。

天线是现代武器装备上不可或缺的重要设备之一。实践证明高增益天线，如：阵列天线、反射面天线是强散射源之一，天线的雷达散射截面RCS减缩技术已是目标隐身技术领域的瓶颈技术。天线的散射与一般目标的散射不同，天线作为电磁波辐射设备，降低天线的RCS的前提是满足一定的辐射特性要求，这两者是相互矛盾的，需要一个折衷的方案。

平面反射阵列天线又称平面抛物面天线或反射阵。这种反射阵列天线体积小、重量轻，但这种天线的最大不足是散射特性强，在现代战争中应用于武器装备时，易被敌方雷达探测和发现，应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种低散射平面反射阵列天线，以减小散射特性，满足在隐身武器装备中的应用要求。

本发明的目的是这样实现的：

一.技术原理

平面反射阵列天线的基本结构是由大量的无源谐振单元组成的周期性阵列，然后由一个馈源照射这个阵列，通过调节介质板上每个单元结构使之对于入射波实现特定相移，使得散射波在特定的方向上实现同相位，从而以笔形波束的形式发射出去。实现方法主要有改变辐射单元的尺寸、改变单元的旋转角度以及改变单元连接的相位延迟线的长度。

频率选择表面FSS是一种二维的周期阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或金属屏上周期性排列的开孔单元构成。FSS本身不吸收能量却能有效控制入射电磁波的传输和反射。对单元谐振频率下入射的电磁波，不同FSS分别呈现全反射和全透射特性，因此分别称为带阻型FSS或带通型FSS。FSS以其特有的频率选择性在微波、毫米波和红外以至可见光波段都有极其广泛的应用。

本发明充分利用频率选择表面的频率选择特性，与平面反射阵列天线结合，将带阻型频率选择表面设计成反射阵列天线的地板，一是在雷达工作频段内具有良好的反射特性，保证天线正常工作；二是对于带外威胁雷达波具有良好的透波特性，不产生强烈的反射，降低反射阵列天线的带外RCS。

二.天线结构

本发明的低散射平面反射阵列天线包括：馈源、上介质板、下介质板、辐射阵列和支撑架，馈源通过支撑架固定在上介质板的上方，辐射阵列印制在上介质板的正面，上介质板的背面与下介质板的正面之间采用间隙固定，其特征在于：下介质板的背面印制有频率选择表面，该频率选择表面由多个相同的中空正方形或中空圆形频率选择单元，在矩形域内以0.25-0.3λ的间隔排列而成；辐射阵列由多个中空正方形或中空圆形辐射单元，在圆域内以0.5-0.6λ的间隔排列而成。

所述的圆域内排列的每个中空正方形或中空圆形辐射单元大小不等，且按中心单元尺寸最大，周围单元尺寸逐渐减小的规律设定。

所述的中空正方形辐射单元和频率选择单元中间的孔为正方形，中空圆形辐射单元和频率选择单元中间的孔为圆形。

所述的圆域内的每个辐射单元，在垂直方向对应矩形域内的4个频率选择单元。

所述的馈源，采用矩形微带结构，包括地板、介质层和辐射贴片，辐射贴片印制在介质层的正面，金属板作为地板固定在介质层的背面。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明中将频率选择表面设计成反射阵列天线的地板，集成了频率选择表面的滤波特性和微带天线辐射特性，在工作频段内保证了天线良好的辐射特性，在工作频段外，实现了低RCS的性能，达到了隐身的目的。

2)本发明中圆域内的每个辐射单元，在垂直方向对应矩形域内的4个频率选择单元，这种一对四的排列结构相比于以往技术中的一对一的排列结构，降低了RCS，减小了对辐射特性的影响。

3)本发明使用小型化的微带天线作为馈源，避免了由于馈源的遮挡导致反射阵列天线系统的增益降低；选择适当大小的微带天线的地板，减少了微带天线表面波的影响，降低了低仰角辐射的能量，提高了馈源前向增益。

理论计算结果和实测结果表明，本发明天线同时具有高增益和低RCS特性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明的馈源结构示意图；

图3是本发明上介质板及辐射阵列的结构示意图；

图4是本发明下介质板及频率选择表面的结构示意图；

图5是本发明辐射单元与频率选择单元的正面布局结构示意图；

图6是本发明辐射单元与频率选择单元的侧面布局结构示意图；

图7是本发明与现有金属地板的反射阵列天线在2.5GHz时主极化水平面和主极化垂直面的辐射方向图；

图8是本发明与现有金属地板的反射阵列天线的RCS对比图。

具体实施方式

参见图1，本发明的低散射平面反射阵列天线由馈源1、上介质板2、下介质板3、辐射阵列4、频率选择表面5、支撑架6、馈线7和支撑螺钉8构成。馈源1通过支撑架6固定在距离上介质板2的正面400mm的地方；辐射阵列4印制在上介质板2的正面，频率选择表面5印制在下介质板3的背面；上介质板2的背面与下介质板3的正面之间为空气介质，两个介质板通过支撑螺钉8固定；天线通过馈线7给馈源1馈电，该馈线沿支撑架放置。

参见图2，本发明的馈源1采用矩形微带天线形式，由金属地板201、介质层202和辐射贴片203构成，金属地板201固定在介质层202的背面，辐射贴片203印制在介质层202正面。金属地板采用厚度为0.8mm，边长为54mm的方形金属铜；介质层采用介电常数为3.2，厚度为1.56mm的板材，边长为35mm；辐射贴片为正方形，边长为32mm。馈源通过馈线7馈电，馈线7的芯线直接从馈源的背面穿过与馈电点204焊接。

参见图3，本发明的辐射阵列4位于上介质板2的正面，利用印刷电路板工艺制成。该辐射阵列共有37个单元，但不限于37个，这些单元采用中间设有孔的中空正方形或中空圆形结构，且每个单元的中孔形状与其单元的形状一致，即对于中空正方形结构，中间的孔为正方形，该方形孔的边长为外方形边长的0.1-0.4倍，对于中空圆形结构，中间的孔为圆形，该圆孔半径为外圆半径的0.1-0.4倍。图3所示的是采用中空正方形结构，该实例设定方形孔的边长为外方形边长的0.2倍，单元之间的中心间距，沿横向及纵向均为64mm。上介质板采用介电常数为3.2，厚度为1.56mm的介质板材。根据选定的介质材料及其厚度、馈源与上介质板之间的距离、各单元间的间距，给每个单元设计可实现所需相位补偿的边长。本实例中，辐射单元401的尺寸按中心单元尺寸最大，周围单元尺寸逐渐减小的规律设定，其外边长依次取为：44mm，42.4mm，41.2mm，39.5mm，38.8mm，37mm，36.4mm，35.8mm。

参见图4，本发明的频率选择表面5位于下介质板3的背面，利用印刷电路板工艺制成。该频率选择表面共148个单元，但不限于148个，每个单元的结构及大小均相同。这些单元采用中间设有孔的中空正方形或中空圆形结构，且每个单元的中孔形状与其单元的形状一致，即对于中空正方形结构，中间的孔为正方形，该方形孔的边长为外方形边长的0.8-0.9倍，对于中空圆形结构，中间的孔为圆形，该圆孔半径为外圆半径的0.8-0.9倍。图4所示的是采用中空正方形结构，本实例设定外方形边长为27mm，方形孔的边长为24.2mm。该单元之间的中心间距，沿横向及纵向均为32mm。下介质板采用介电常数为3.2，厚度为1.56mm的介质板材。

参见图5和图6，各辐射单元401之间的中心间距为64mm，各频率选择单元501之间的中心间距为32mm，即在垂直方向上每个辐射单元对应4个频率选择单元。与以往技术中一对一的排列结构相比，本发明的这种一对四的结构布局进一步降低了天线的RCS，且更大程度减小了对辐射特性的影响。

本发明天线的辐射性能与低RCS性能可通过实测及仿真结果进一步说明：

为证明本发明提出的天线具有良好的辐射特性和低散射特性，在以下两种情况下进行了测试和仿真计算：

第一种情况，是对本发明提出的天线直接进行辐射方向图测试；

第二种情况，是在本发明提出的天线基础上，用一个金属板替代下介质板3背面的频率选择表面5，再进行辐射方向图测试。

图7是在以上两种情况下实测的天线的辐射方向图，其中图7(a)是主极化水平面辐射方向图，图7(b)是主极化垂直面辐射方向图。从图7中可以看出，本发明提出的天线与现有的金属板为地板的同规格天线相比，方向图吻合良好，具有基本相同的辐射特性。

图8是在以上两种情况下仿真计算得到的单站雷达散射截面对比图，平面波垂直于辐射阵面入射，计算的频率范围是2～20GHz，覆盖了目前经常使用的雷达的大部分频率。从图8可以看出，本发明提出的天线在工作频率2.5GHz以外的所有频段内，单站雷达散射截面都得到了大幅度的降低，减缩效果非常明显。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，让熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低散射平面反射阵列天线，包括馈源（1）、上介质板（2）、下介质板（3）、辐射阵列（4）和支撑架（6），馈源（1）通过支撑架（6）固定在上介质板（2）的上方，辐射阵列（4）印制在上介质板（2）的正面，上介质板（2）的背面与下介质板（3）的正面之间采用间隙固定，其特征在于：

下介质板（3）的背面印制有频率选择表面（5），该频率选择表面由多个相同的中空正方形或中空圆形频率选择单元（501），在矩形域内以0.25λ-0.3λ的间隔排列而成；

辐射阵列（4），由多个中空正方形或中空圆形辐射单元（401），在圆域内以0.5λ-0.6λ的间隔排列而成，圆域内排列的每个中空正方形或中空圆形辐射单元（401）大小不等，且按中心单元尺寸最大，周围单元尺寸逐渐减小的规律设定；

馈源（1），采用矩形微带结构。

2.根据权利要求1所述的低散射平面反射阵列天线，其特征在于中空正方形或中空圆形辐射单元（401）的中空正方形辐射单元中间的孔为正方形，中空圆形辐射单元中间的孔为圆形。

3.根据权利要求1所述的低散射平面反射阵列天线，其特征在于中空正方形或中空圆形频率选择单元（501）的中空正方形频率选择单元中间的孔为正方形，中空圆形频率选择单元中间的孔为圆形。

4.根据权利要求1所述的低散射平面反射阵列天线，其特征在于圆域内的每个辐射单元（401），在垂直方向对应矩形域中的4个频率选择单元（501）。

5.根据权利要求1所述的低散射平面反射阵列天线，其特征在于馈源（1）包括地板（201）、介质层（202）和辐射贴片（203），辐射贴片印制在介质层的正面，金属板作为地板固定在介质层的背面，地板的尺寸大于辐射贴片的尺寸，以减小表面波效应，提高前向增益。

6.根据权利要求1所述的低散射平面反射阵列天线，其特征在于上介质板（2）的背面与下介质板（3）的正面之间的间隙是空气介质。