CN102176537A - 用于缩减雷达散射截面的天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于缩减雷达散射截面的天线，主要解决现有微带天线雷达散射截面大的问题。该天线包括：介质板(1)、微带辐射单元(2)和接地板(3)，微带辐射单元位于介质板的上表面，接地板位于介质板的下表面，微带辐射单元的两边设有高阻抗表面阵列(4)，该高阻抗表面阵列由多个金属贴片排列成矩形，相邻金属贴片之间设有缝隙，以形成电容C，每个金属贴片的中心开有贯穿介质板的金属过孔，该过孔连接的电流通路形成电感L，该电容和电感组成LC谐振电路，通过调整该谐振电路的频率，使其与天线的工作频率重合，实现高阻抗表面阵列与天线的散射场对消。本发明具有减缩天线频带内和频带外雷达散射截面性能稳定，对天线体积、重量和成本无影响的优点。

Description

用于缩减雷达散射截面的天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及高阻抗表面，特别是一种利用高阻抗表面减缩雷达散射截面的天线，用于实现天线隐身。

背景技术

隐身与反隐身技术的对抗是雷达探测技术中的一个重要方面，隐身技术是研究如何降低目标被电磁波、声波、红外光和可见光等探测系统发现能力的各种技术的总称，其中，针对电磁波的雷达隐身技术是重点。雷达散射截面RCS是目标在平面波照射下，给定方向上返回散射功率的一种量度，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重要参数。RCS减缩的目的就是控制和降低探测目标的雷达特征，从而降低对方电子探测系统的探测能力和作用距离，提高我方目标的突防能力和生存能力。对于隐身平台而言，对其总RCS贡献最大的是平台上的天线，因此降低天线系统的RCS成为目前隐身技术中的一个关键技术课题。天线RCS减缩技术成为目前隐身技术的难点和各国学者研究的一个热点。

要求天线系统只辐射和接收我方雷达波，而不反射和散射对方探测雷达波，是很难解决的一个矛盾。目前国内外的研究，往往是根据实际要求，在一定的时域、空域和频域范围内，尽量缓和这种矛盾。因此，天线系统的隐身途径主要分为以下三个大的方面：

(1)时域隐身。在雷达不工作时设法将天线隐藏起来，而在雷达开机前将天线恢复到正常工作状态，从而实现分时制的天线系统隐身。但是，在雷达开机时就完全失去了隐身能力。

(2)空域隐身。利用斜射式行波天线阵，将天线倾斜放置，从而使其结构模式项散射的峰值移出水平方向，而其最大辐射方向可通过幅相控制仍然保持在水平方向，并通过良好的匹配来减小阵列的天线模式项散射，实现水平方向较为有效的隐身效果。但是，其在水平方向以外区域不能隐身，并且会导致增益损失。

(3)频域隐身。通过改变天线外形、采用雷达吸波材料、无源对消技术和有源对消技术实现RCS减缩，其中最常用的和最为有效的是前两种。由于低RCS隐身外形设计的理论基础是高频散射的几何光学近似，因而在高频段其很有效，但在低频段，当天线尺寸与雷达工作波长差不多甚至更小时，改变外形对RCS的影响很小，甚至会增强RCS，而且会在一定程度上恶化天线的辐射性能。雷达吸波材料RAM分为涂敷型和结构型两种。由于涂敷型RAM的大量使用会导致天线辐射退化、重量增加、结构强度降低，因而结构型是RAM发展的一种趋势。根据吸波机理的不同，结构型RAM又分为电吸收材料和磁吸收材料。但是电吸收材料往往尺寸较大，而磁吸收材料则会较大程度增加天线的重量，且结构型RAM技术含量高，因而会大幅增加设计成本。对于带外雷达的隐身，目前的研究很多，例如利用一种称为频率选择表面FSS的结构型RAM来制作天线罩，将频带内的微波能量辐射透过，而将带外的功率斜向反射，从而达到天线带外RCS减缩的目的，但这类方法常常需要根据实际的外形设计复杂的共形天线罩，并给天线与天线罩之间留出一定距离，因而体积、重量和成本增大，常与设计要求相矛盾，而且减缩性能会受到安装误差的影响而不稳定，对同频带同极化的威胁雷达波无能为力，使得要在天线工作频带内对相同极化的威胁雷达波实现隐身极其困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种减缩天线雷达散射截面的高阻抗表面结构，以在保证天线的体积和重量不变的情况下，实现对垂直入射的带内和带外同极化雷达波的隐身。

本发明的目的是这样实现的：

1.技术原理

光子晶体结构，是指具有光子带隙的人工周期结构，当把这种结构应用于微波与毫米技术波领域时，称之为电磁带隙EBG结构。电磁带隙结构有两个带隙：表面波抑制带隙和同相反射相位带隙。前者指的是当表面波频率落在电磁带隙结构抑制带隙内时，表面波将无法在电磁带隙结构表面传播；后者指的是当入射波频率落在电磁带隙结构同相反射相位带隙内时，反射波的反射相位为零度。在应用电磁带隙结构同相反射相位带隙时，称该结构为高阻抗表面HIS结构。由于同相反射相位是空间入射波与反射波的特性，因此可以将高阻抗表面应用于电磁散射领域，实现天线雷达散射截面减缩。

2.技术方案

根据上述原理，本发明用于缩减雷达散射截面的天线，包括：介质板、微带辐射单元和接地板，微带辐射单元位于介质板的上表面，接地板位于介质板的下表面，其中微带辐射单元的两边设有高阻抗表面阵列，该高阻抗表面阵列由N×M个方形金属贴片排列成矩形，N≥3，M≥3，相邻金属贴片之间设有缝隙，以形成电容C，每个金属贴片的中心位置开有贯穿介质板的金属过孔，金属过孔连接的电流通路形成电感L，该电容C和电感L组成LC谐振电路，通过调整该谐振电路的频率，使其与天线的工作频率重合，实现高阻抗表面阵列与天线的散射场对消。

所述金属贴片的宽度W的取值为0.06-0.5λ，λ是天线的中心工作频率对应的波长，金属贴片的形状还可以选择圆形、多边形、交指形和螺旋形等。

所述金属贴片间的缝隙的宽度G的取值为0.001-0.15λ。

所述金属过孔的直径D与金属贴片的宽度W的比值是0.01-0.15。

所述接地板上焊接有SMA头的法兰盘，微带辐射单元上开有贯穿介质板的过孔，SMA头的内芯通过该过孔焊接在微带辐射单元上，对天线进行馈电。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明由于微带辐射单元与高阻抗表面制作于同一表面，且高阻抗表面由小型金属贴片紧凑排列而成，因而结构简单，易于加工制作，对天线的体积、重量和成本影响不大；

(2)本发明由于将天线与高阻抗表面结构进行一体化设计，避免了安装误差而影响其减缩性能，减缩性能稳定；

(3)本发明由于高阻抗表面的同相反射相位带隙的频率与天线的工作频率重合，故可实现天线对垂直入射的带内同极化雷达波的隐身；

(4)本发明由于通过金属过孔产生表面波抑制带隙，不仅可削弱两天线间的互耦强度，而且可用于提高天线的增益、减小天线的后向辐射、消除相控阵天线的扫描盲区以及展宽扫描范围。

实验表明，本发明能明显减少天线对垂直入射的带内同极化雷达波的散射；同时，天线间的互耦可得到明显的削弱。

附图说明

图1是现有微带贴片天线的上表面结构图；

图2是现有微带贴片天线的下表面结构图；

图3是本发明的上表面结构示意图；

图4是本发明的下表面结构示意图；

图5是本发明与现有的微带贴片天线的RCS比对曲线图；

图6是本发明与现有的微带贴片天线的反射系数与互耦比对曲线图。

具体实施方式

参照图1和图2，现有工作于8.2GHz的两微带贴片天线，由介质板1、两个微带辐射单元2和接地板3组成，介质板1采用双面覆铜板，微带辐射单元2位于介质板的上表面，接地板3位于介质板的下表面，接地板3上焊接SMA头的法兰盘，每个微带辐射单元2上开有贯穿介质板1的过孔8，SMA头的内芯通过该过孔焊接在微带辐射单元上，对天线进行馈电。

本发明是对图1和图2所示天线进行改进，即将高阻抗表面结构用于减小其雷达散射截面。

参照图3和图4，本发明包括：介质板1、两个微带辐射单元2、接地板3和三个高阻抗表面阵列4，介质板1采用双面覆铜板，微带辐射单元2位于介质板的上表面，接地板3位于介质板的下表面，高阻抗表面阵列4分布在每个微带辐射单元2的两边。其中：两个微带辐射单元2沿介质板1的横向中心线排列，三个高阻抗表面阵列4沿介质板1的横向中心线均匀排列，分别位于两个微带辐射单元的左边、中间和右边。每个高阻抗表面阵列均由6×3个方形金属贴片5排列成矩形，但不限于6×3个方形金属贴片，相邻金属贴片5之间设有缝隙6，相邻金属贴片5间的缝隙6形成电容C；每个金属贴片5的中心位置开有贯穿介质板的金属过孔7，在接地板3上，相邻金属过孔7之间构成电流通路，形成电感L，该电容C与电感L组成并联的LC谐振电路。通过调整金属过孔7的直径D和金属贴片5间缝隙6的宽度G可实现对电感值L和电容值C的调节，从而改变该谐振电路的频率，使其与天线的工作频率重合，使高阻抗表面阵列与天线的散射场对消。

本发明金属贴片5的形状，不局限于方形，进一步可采用圆形或多边形或交指形或螺旋形，这些不同形状贴片的排列结构与方形贴片的排列结构相同，即每个单元之间留有缝隙，贴片中心开有金属过孔。

本发明的尺寸为：介质板1的长L1为114mm，宽W1为48mm，相对介电常数为2.65，厚度为1.5mm。微带辐射单元2的长L2为11mm，宽W2为10.2mm，过孔8的直径D2为1.0mm，两个微带辐射单元的中心间距S为45mm。金属贴片5的长和宽W均为7mm，金属过孔7的直径D为1.3mm，相邻金属贴片5间缝隙6的宽度G为0.3mm。高阻抗表面阵列4与微带辐射单元2的相邻边的距离S1为6.7mm。这些参数是本发明实例的参考参数，实际中可根据贴片的形状，在0.001-0.15λ间选取相邻贴片间缝隙6的宽度G，在0.06-0.5λ间选取贴片的宽度W，金属过孔7直径D的取值与贴片宽度W的比值为0.01-0.15，λ是天线的中心工作频率对应的波长。

本发明的效果可通过以下理论分析和仿真结果进一步说明：

由高阻抗表面阵列4，得到其阻抗为：

$Z={(\frac{1}{\mathrm{j\ωL}}+\mathrm{j\ωC})}^{-1}$ 式中，ω是角频率，(1)

当高阻抗表面阵列处于谐振状态时，由式(1)可知，

故其表面阻抗Z＝∞。

当平面波入射到阻抗表面时，由于阻抗的不连续性会产生反射波，其反射系数为：

Γ＝(Z_s-η₀)/(Z_s+η₀)    (2)

式中，Z_s为阻抗表面的阻抗，η₀为自由空间的波阻抗，且η₀＝377欧姆。

当平面波Eⁱ＝Ae^-jkr入射到微带辐射单元2时，由于其为金属表面，故阻抗为：

$Z_S=\frac{1+j}{\mathrm{\δ\σ}}---\left(3\right)$

式中，A为入射波幅度，k为波数，r为观察点的位置，σ为电导率，δ为趋肤深度。

由于金属电导率的数量级在10⁷左右，趋肤深度的数量级在10^-6m左右，因此金属表面阻抗Z_S为10^-1量级，对于自由空间的波阻抗可近似为零。

由式(2)知微带辐射单元的反射系数Γ_PEC＝-1，故微带辐射单元的反射波为：

$E_{\mathrm{PEC}}^s={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{PEC}}A{e}^{\mathrm{jkr}}=-A{e}^{\mathrm{jkr}}---\left(4\right)$

当平面波入射到高阻抗表面阵列4时，高阻抗表面阵列的反射波为：

$E_{\mathrm{HIS}}^s={\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{HIS}}A{e}^{\mathrm{jkr}}---\left(5\right)$

式中，Γ_HIS为高阻抗表面的反射系数。

基于以上分析，微带辐射单元2和高阻抗表面4的总散射场为：

$E^s=E_{\mathrm{HIS}}^s+E_{\mathrm{PEC}}^s=({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{HIS}}-1)A{e}^{\mathrm{jkr}}---\left(6\right)$

当高阻抗表面的谐振频率与入射波频率重合时，其表面阻抗Z_s＝∞，由式(2)知其反射系数Γ_HIS＝1，故式(6)所示散射场为零，实现了高阻抗表面与天线的散射场对消。

图5为本发明与现有的微带贴片天线的RCS比对曲线图，入射波垂直照射且与天线极化方式相同。从图5中可以看出，由于高阻抗表面结构的同相反射相位频率与天线工作频率重合，因此在8.2GHz附近，天线雷达散射截面得到了最大的减缩，并且直至天线工作频带以外的15GHz高频段，天线雷达散射截面都得到了有效的减缩，实现了对垂直入射的带内和带外同极化雷达波的隐身。

图6为本发明与现有的微带贴片天线的反射系数与互耦比对曲线图，其中图6(a)是仿真结果，图6(b)为测试结果。从图6中可以看出，与现有天线相比，本发明天线的反射系数S11稍有增加，但是其-10dB工作带宽并没有明显变化，同时在天线工作频带内，其互耦S21有了较明显的抑制，测试结果与仿真结果吻合良好。

本发明的高阻抗表面结构可用于缩减一个或多个微带印刷天线的雷达散射截面，以及削弱各天线间的互耦强度，高阻抗表面结构与天线一体化设计，高阻抗表面阵列分布于微带辐射单元的两边，微带印刷天线的形式可以多样，高阻抗表面阵列的金属贴片单元的形状和排列方式均可根据实际情况进行修改。

以上所述，仅为本发明的优选实例而已，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，任何人可根据本发明的内容进行修改、等同替换和改进等，但这些均仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种用于缩减雷达散射截面的天线，包括：介质板(1)、微带辐射单元(2)和接地板(3)，微带辐射单元位于介质板的上表面，接地板位于介质板的下表面，其特征在于：微带辐射单元的两边设有高阻抗表面阵列(4)，该高阻抗表面阵列由N×M个方形金属贴片(5)排列成矩形，N≥3，M≥3，相邻金属贴片之间设有缝隙(6)，以形成电容C，每个金属贴片的中心位置开有贯穿介质板的金属过孔(7)，金属过孔(7)连接的电流通路形成电感L，该电容C和电感L组成LC谐振电路，通过调整该谐振电路的频率，使其与天线的工作频率重合，实现高阻抗表面阵列与天线的散射场对消。

2.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的天线，其特征在于：金属贴片(5)的宽度W取值为0.06-0.5λ，λ是天线的中心工作频率对应的波长。

3.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的天线，其特征在于：金属贴片(5)的形状，进一步采用圆形或多边形或交指形或螺旋形。

4.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的天线，其特征在于：金属贴片间缝隙(6)的宽度G取值为0.001-0.15λ。

5.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的天线，其特征在于：过孔(7)的直径D与金属贴片(5)的宽度W的比值是0.01-0.15。

6.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的天线，其特征在于：接地板(3)上焊接有SMA头的法兰盘，微带辐射单元(2)上开有贯穿介质板(1)的过孔(8)，SMA头的内芯通过过孔(8)焊接在微带辐射单元上，对天线进行馈电。

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