CN103840258A - 低雷达截面的微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低雷达截面微带阵列天线，主要解决现有微带阵列天线雷达截面高，不能同时保证辐射和散射特性的缺陷。其包括：介质材料板（1）、辐射单元（2）、金属地板（3）和同轴接头（4）。天线的辐射单元和金属地板分别印制在介质材料板（1）的两面，金属地板（3）上开有n个互补开口谐振环（31），这些互补开口谐振环（31）分布在辐射单元（2）正下方的金属地板四周，每个互补开口谐振环由一条蛇形弯折的槽线段形成镜像对称结构，外围轮廓呈正方形，并留有开口，且谐振频率与阵列天线的工作频率相同。本发明具有辐射性能稳定、雷达截面低、结构简单易加工的优点，可作为低雷达截面设备上的阵列天线。

Description

低雷达截面的微带阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是一种阵列天线，可以保证天线在保持良好的辐射性能前提下，具有良好的散射特性。对于辐射特性和散射特性均有要求的天线，该技术很有实用价值。

背景技术

在现今的通信领域中，信号发射和接收系统是整个通信平台中最重要的组成部分，天线是该系统中核心的部分，而辐射特性和散射特性是衡量天线性能优良的主要指标。提高散射特性的关键在于如何减缩雷达截面，而雷达截面是散射特性中最基本的参数，它是指目标在平面波照射下在给定方向上返回功率的一种量度。

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。

在国内外，并没有完全理想的技术手段，可以同时兼顾天线的辐射和散射特性，这是由于天线系统自身工作特点，它必须保证自身无线电波的正常接收和发射，因此常规的减缩措施不可以简单地应用在天线上。所以，如何在保证天线辐射特性不受影响的前提下，设计具有低雷达截面的天线，有重要意义。

微带阵列天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，与常规天线相比，微带天线重量轻、体积小、剖面薄、易于加工。图1给出了一种现有的四单元微带天线，介质材料板正面印制有4个等间距分布的边长为13.72mm的正方形辐射单元，如图1（a）所示；反面印制有长为120mm，宽为30mm的矩形金属地板，如图1（b）所示；同轴接头通过辐射单元和金属地板上的开孔进行馈电，这种天线具有良好的辐射特性，但是由于为了保证天线的辐射特性，金属地板必须大于辐射单元的尺寸，所以造成该天线的雷达截面很高，不具备良好的散射特性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有微带阵列天线的缺点，提出一种低雷达截面的微带阵列天线，以减小阵列天线的雷达截面，提高辐射特性。

为实现上述的目的，本发明包括介质材料板1、辐射单元2、金属地板3和同轴接头4；辐射单元2和矩形金属地板3分别印制在介质材料板1的两面，其特征在于：天线金属地板3上开有n个互补开口谐振环31，n≧4；每个互补开口谐振环31由一条蛇形弯折的槽线段首尾相对构成，这些互补开口谐振环31分布在辐射单元2正下方的金属地板四周，距离辐射单元2的投影距离L2为0.6-1mm，使矩形金属地板3形成除中心区域和四个顶角区域为完整矩形外，其余区域均分布有互补开口谐振环31的谐振环金属地板。

上述低雷达截面微带阵列天线，其特征在于辐射单元2由m个正方形贴片阵列组成，m≧1，每个正方形贴片的边长L为13.72mm。

上述低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环（31）的由一条蛇形弯折的槽线段形成镜像对称结构，外围轮廓是正方形，且留有开口，该开口宽度为L1=0.7mm。

上述低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环31之间的间距L3为0.5-0.9mm。

上述低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环31的外围轮廓正方形的边长L4=7mm。

上述低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环31的槽线段宽度L5=0.3mm。

上述低雷达截面微带阵列天线，其特征在于互补开口谐振环31的谐振频率与阵列天线的工作频率相同。

上述低雷达截面微带阵列天线，其特征在于同轴接头的外芯41与金属地板3连接，内芯42穿过介质材料板1与辐射单元2连接，形成底部馈电结构。

本发明具有如下优点：

1）本发明由于在阵列天线金属地板上开有若干互补开口谐振环结构，不仅减小了金属地板的面积，同时可以在其谐振频点附近形成一个入射波的带通频段，在天线工作频带内降低了天线的雷达截面。

2）本发明通过对互补开口谐振环位置的优化，克服了由于引入该结构而导致的天线增益下降的缺点，使天线增益恢复到了原有天线的水平。

理论计算结果表明，本发明天线可实现4.95GHz-5.05GHz的阻抗带宽，在工作频带内降低了微带阵列天线雷达截面，克服了现有微带阵列天线雷达截面较大而导致散射特性差的缺陷。

附图说明

图1是现有的4单元微带阵列天线整体结构图；

图2是本发明阵列天线的正面结构图；

图3是本发明阵列天线的背面结构图；

图4是本发明阵列天线的剖面图；

图5是本发明中的开口环结构示意图；

图6是本发明中的金属地板结构示意图；

图7是本发明天线与现有天线的电压驻波比曲线对比图；

图8是本发明天线与现有天线的辐射方向图对比图；

图9是本发明天线与现有天线的雷达截面对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和效果做进一步描述：

参照图2和图3，本发明主要有由介质材料板1、辐射单元2、矩形金属地板3和同轴接头4组成，辐射单元2印制于介质板1的正面，如图2所示；金属地板3印制于介质板1的反面，如图3所示。

所述介质材料板1，为介电常数为4.4的矩形FR4介质材料板，长为120mm，宽为30mm，厚度为1mm，其中心下侧处开有的穿线孔11。

所述辐射单元2，由4个等间距排列的正方形贴片组成，每个正方形贴片的边长L为13.72mm，间距W为30mm。

所述金属地板3，采用矩形金属板，在矩形金属板3上面，留有若干个圆孔，用于同轴接头内芯42的安装。该矩形金属地板上面分布了n个互补开口谐振环31，n≧4，这些互补开口谐振环31分布在辐射单元2正下方对应的金属地板四周，使矩形金属地板3形成除中心区域和四个顶角区域为完整矩形外，其余区域均分布有互补开口谐振环31的谐振环金属地板。

参照图5，每个互补开口谐振环31，是由刻蚀在矩形金属地板上、且经过若干次弯折的一条槽线段构成，弯折后的槽线段呈现为首尾相对的蛇形结构，且每个互补开口谐振环31的外围轮廓是正方形，定义槽线段的两个顶点为M和N，顶点M和顶点N之间的距离定义为开口宽度L1。

参照图6，将每个辐射单元2垂直投影到金属地板3上，形成与辐射单元对应数量的矩形区域Z，定义每个矩形区域Z四个顶点依次为A、B、C、D，由这四个顶点构成线段AB、CD、AC、BD。矩形区域Z四周的互补开口谐振环31，分布在线段AB上方、线段CD下方、线段AC左侧和线段BD右侧，每条线段一侧的互补开口谐振环31与这条线段保持平行关系，距离辐射单元2的投影距离L2为0.6-1mm，并且每条线段一侧的互补开口谐振环31的数量p≧1，整个矩形金属地板3上共分布有n个互补开口谐振环31，且线段AB上方和线段CD下方的互补开口谐振环31，数量相同，上下对称；线段AC左侧和线段BD右侧的互补开口谐振环31，数量相同，左右对称。每条线段一侧的互补开口谐振环31之间的间隔L3为0.5-0.9mm。

以下给出矩形金属地板3的三个实施例明。

实施例1：

四个等间距分布的辐射单元2印刷在介质材料板1正面，呈一字排开，辐射单元之间的间隔W=30mm。矩形金属板3印刷在介质材料板1背面，该矩形金属板3上设有与辐射单元对应的四个矩形区域，每个矩形区域的四周分布共有四个互补开口谐振环31，即整个矩形金属板上共分布有16个互补开口谐振环。其中，在线段AB上方和线段CD下方各分布1个互补开口谐振环，在线段AC左侧和线段BD右侧各分布1个互补开口谐振环，每个互补开口谐振环距离辐射单元的投影距离为L2=0.8mm。

实施例2：

四个等间距分布的辐射单元2印刷在介质材料板1正面，呈一字排开，辐射单元之间的间隔W=30mm。矩形金属板3印刷在介质材料板1背面，该矩形金属板3上设有与辐射单元对应的四个矩形区域，每个矩形区域的四周分布共有六个互补开口谐振环31，即整个矩形金属板上共分布有24个互补开口谐振环。其中，在线段AB上方和线段CD下方各分布1个互补开口谐振环，在线段AC左侧和线段BD右侧各分布2个互补开口谐振环，且这2个互补开口谐振环之间的间隔L3=0.7mm。所有互补开口谐振环距离辐射单元的投影距离为L2=0.8mm。

实施例3：

四个等间距分布的辐射单元2印刷在介质材料板1正面，呈一字排开，辐射单元之间的间隔W=30mm。矩形金属板3印刷在介质材料板1背面，该矩形金属板3上设有与辐射单元对应的四个矩形区域，每个矩形区域的四周分布共有十个互补开口谐振环31，即整个矩形金属板上共分布有40个互补开口谐振环。其中，在线段AB上方和线段CD下方各分布2个互补开口谐振环，且这2个谐振环之间的间隔L3=0.9mm，距离辐射单元的投影距离L2=1.0mm；在线段AC左侧和线段BD右侧各分布3个互补开口谐振环，且这3个互补开口谐振环之间的间隔L3=0.5mm，距离辐射单元的投影距离L2=0.6mm。

上述的三个实施例中每个互补开口谐振环均由一条蛇形弯折的槽线段形成镜像对称结构，外围轮廓是正方形，且留有开口，开口宽度L1=0.7mm，外围轮廓正方形的边长L4=7mm槽线段宽度L5=0.3mm。为获得良好的散射特性，每个互补开口谐振环的谐振频率应与阵列天线的工作频率相同。由于互补开口谐振环的存在，使矩形金属地板形成除中心区域和四个顶角区域为完整矩形外，其余区域均分布有互补开口谐振环的谐振环金属地板，如图5所示。

上述三个实施例的同轴接头4，其外芯41与金属地板3连接，连接位置位于辐射单元2中心的下侧2mm处，内芯42穿过介质材料板上的穿线孔11与辐射单元2连接，构成底部馈电结构，如图4所示。

本发明的优点可通过以下针对实施例3的仿真进一步说明：

1、仿真内容

1.1）利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例的电压驻波比进行仿真计算，结果如图7所示。

1.2）利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图8所示，其中：8(a)为实施例阵列天线在x-z面的辐射方向图，8(b)为实施例阵列天线在y-z面的辐射方向图。

1.3）利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例的雷达截面进行仿真计算，结果如图9所示，其中：9(a)为实施例阵列天线在x-z面的雷达截面与现有阵列天线的对比图，9(b)为实施例阵列天线在y-z面的雷达截面与现有阵列天线的对比图。

2、仿真结果

从图7可见，本发明阵列天线与现有阵列天线的电压驻波比曲线基本重合，在电压驻波比小于2的条件下，具有4.95GHz-5.05GHz的工作频带，相对带宽2%，这说明本发明阵列天线具有与现有阵列天线类似的阻抗带宽。

从图8(a)和图8(b)可以看出，本发明阵列天线与现有阵列天线的辐射方向图主瓣基本重合并且本发明阵列天线的最大辐射方向始终垂直于辐射单元表面，这说明本发明阵列天线具有与现有阵列天线具有类似的辐射方向图特性。

从图9（a）和9（b）可见，当平面波垂直天线表面照射时，在x-z平面和y-z平面本发明阵列天线的雷达截面得到了良好的减缩，保证了天线在宽频带范围内的低雷达截面特性。

以上仿真结果说明本发明阵列天线具有良好的辐射性能以及与现有阵列天线相比更低的雷达截面。

以上描述与实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低雷达截面微带阵列天线，包括介质材料板（1）、辐射单元（2）、金属地板（3）和同轴接头（4）；辐射单元（2）和矩形金属地板（3）分别印制在介质材料板（1）的两面，其特征在于：天线金属地板（3）上开有n个互补开口谐振环（31），n≧4；每个互补开口谐振环（31）由一条蛇形弯折的槽线段首尾相对构成，这些互补开口谐振环（31）分布在辐射单元（2）正下方的金属地板四周，距离辐射单元（2）的投影距离L2为0.6-1mm，使矩形金属地板（3）形成除中心区域和四个顶角区域为完整矩形外，其余区域均分布有互补开口谐振环（31）的谐振环金属地板。

2.根据权利要求1所述的低雷达截面微带阵列天线，其特征在于辐射单元（2）由m个正方形贴片阵列组成，m≧1，每个正方形贴片的边长L为13.72mm。

3.根据权利要求1所述的低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环（31）的谐振频率与阵列天线的工作频率相同。

4.根据权利要求1所述的低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环（31）的由一条蛇形弯折的槽线段形成镜像对称结构，外围轮廓是正方形，且留有开口，该开口宽度为L1=0.7mm。

5.根据权利要求1所述的低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环（31）之间的间距L3为0.5-0.9mm.

6.根据权利要求1所述的低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环（31）的外围轮廓正方形的边长L4=7mm。

7.根据权利要求1所述的低雷达截面微带阵列天线，其特征在于每个互补开口谐振环（31）的槽线段宽度L5=0.3mm。

8.根据权利要求1所述的低雷达截面微带阵列天线，其特征在于同轴线的外芯（41）与金属地板（3）连接，内芯（42）穿过介质材料板（1）与辐射单元（2）连接，形成底部馈电结构。

Images