CN104852130A - 基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，主要解决现有缝隙阵列天线雷达截面高，难以同时兼顾辐射和散射特性的缺陷。包括全息表面(1)、全息介质板(2)、辐射地板(3)、辐射介质板(4)、馈电网络(5)、反射介质板(6)和金属反射板(7)；全息介质板(2)上表面印制的全息表面(1)是由周期排布的四种不同边长的正方形金属贴片从中心起，由长到短再到长周而复始形成，在信息表面(1)和全息介质板(2)的中心位置附近，分别设置有四个矩形缝隙(15)和与其位置对应尺寸相等的矩形通孔(21)，三种介质板由上至下紧密粘合。本发明的辐射特性稳定，散射特性高，可用于对散射和辐射特性都有要求的通信领域。

Description

基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种隙阵列缝天线，特别涉及一种利用全息表面减缩雷达截面的缝隙阵列天线，可以保证天线在保持良好辐射特性的前提下，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。

微波领域中的全息技术主要是源于光学全息技术，全息天线的作用机理与光学全息技术是类似的，如图1(a)所示，参考天线的辐射场和目标天线的辐射场在干涉表面上干涉从而形成干涉图样。在微波领域，干涉图样采用理想金属组成，从而利用干涉图样记录干涉场。反过来，只要我们知道参考辐射场和目标辐射场的表达式，经过计算就可以得到干涉场，从而构造合适的干涉图样即全息结构，再利用产生参考辐射场的参考天线照射干涉图样，就可以形成目标辐射场，如图1(b)所示。

缝隙阵列天线是利用金属地板上的缝隙进行辐射的天线，天线结构自上而下一般为带有缝隙的金属地板、辐射介质板、馈电网络、反射介质板和金属反射板，与常规天线相比，具有重量轻、体积小、剖面薄、易于加工等特点。由Simone Genovesi于 2014年在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION发表了题为“Wideband Radar Cross Section Reduction of Slot Antennas Arrays”的文章，该文章中公开了一种缝隙阵列天线，其结构包括辐射地板、辐射介质板、馈电网络、反射介质板和金属反射板；辐射地板和馈电网络分别印制在辐射介质板的上下表面，金属反射板印制在反射介质板的下表面，两种介质板从上到下紧密粘合形成该缝隙阵列天线；辐射地板上设置有4×4的矩形缝隙阵列，该阵列的行周期和列周期相等；辐射地板、辐射介质板、反射介质板和金属反射板均为边长相等的正方形；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，辐射地板较大，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缝隙阵列天线存在的缺点，提出了一种基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，用以通过全息表面减缩阵列天线的雷达截面，提高其散射特性。

实现本发明目的采用的技术方案为：

一种基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，包括辐射地板3、辐射介质板4、馈电网络5、反射介质板6和金属反射板7；辐射地板3和馈电网络5分别印制在辐射介质板4的上下表面，金属反射板7印制在反射介质板6的下表面，辐射介质板4和反射介质板6由上而下紧密粘合，其特征在于还包括全息表面1和全息介质板2，所述全息表面1印制在全息介质板2的上表面，该全息表面1是由四种不同边长的正方形金属贴片周期排布而成，四种金属贴片以最长边长的金属贴片为中心，其边长随贴片中心到全息介质板2中心横向和纵向距离的增加而变化，由长到短再到长，周而复始，在全息表面1的中心位置附近设置有2×2个矩形缝隙15；所述三个介质板2，4，6依次形成上下层叠结构。

上述基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，所述全息介质板2采用介电常数为4.4的FR4材料，辐射介质板4和反射介质板6均采用介电常数为2.65的F4B材料，形状均为正方形，厚度分别为h1、h2和h3，其中h3>h1>h2。

上述基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，所述四种金属贴片是由第一金属贴片11、第二金属贴片12、第三金属贴片13和第四金属贴片14组成，边长分别为n1、n2、n3和n4，其中n1＝0.8～1.6mm、n2＝2～2.8mm、n3＝3.2～4mm、n4＝4.4～5.2mm，相邻贴片的横向和纵向间距相等。

上述基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，所述辐射地板3的中心位置附近设置有2×2条、尺寸为S×H的矩形缝隙31，H>S，相邻缝隙的横向和纵向间距相等。

上述基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，所述全息表面1上设置的2×2个矩形缝隙15，其位置与辐射地板3上的四条矩形缝隙31的位置对应，尺寸为M1×M2，M1>S，M2>H。

上述基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，所述全息介质板2上设置有四个矩形通孔21，这四个矩形通孔与全息表面1上的四个矩形缝隙15的位置和大小相同。

上述基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，所述馈电网络5是由一条第一微带线51、一条第二微带线52、两条第三微带线53、两条第四微带线54和四条第五微带线55连接而成，其中第五微带线55是由两段长度不同且相互正交的微带线组成的L型结构；该馈电网络5的起始端配套的同轴头内心相连，其末端位于四个矩形缝隙31的正下方且正交于其中点位置，用于耦合馈电。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于在全息表面和在全息介质板上设置2×2个等距离排布的矩形缝隙和矩形通孔，消除了由于引入全息表面和全息介质对天线增益和工作频率偏移的影响，使天线增益和工作频率保持在原有天线的水平。

2)本发明由于引入设置有不同尺寸的正方形金属贴片的全息表面，在平面波的照射下全息表面被激励，将散射波的方向转变为沿水平方向传播，在5～25GHz的频段内降低了单站雷达截面，从而改善了散射特性。

附图说明

图1是全息天线的工作机理示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明中辐射地板和馈电网络的结构示意图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明中全息介质板的结构示意图；

图6是本发明中四种金属贴片的结构和排列方式示意图；

图7是本发明实施例3与现有天线的S参数的对比图；

图8是本发明实施例3与现有天线的辐射方向图的对比图；

图9是本发明实施例3与现有天线的雷达截面对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

参照附图2，本发明包括全息表面1、全息介质板2、辐射地板3、辐射介质板4、馈电网络5、反射介质板6和金属介质板7；全息介质板2、辐射介质板4和反射介质板6是边长均为W的正方形，厚度分别是h1、h2、h3，其中W＝125mm，h1＝2mm，h2＝1mm，h3＝6mm,辐射介质板4和金属介质板7均是采用介电常数为2.65的F4B材料；全息表面1印制在全息介质板2上表面，辐射地板3和馈电网络5分别印制在辐射介质板4的上表面和下表面，金属反射板7印制在反射介质板6下表面，全息介质板、辐射介质板和反射介质板依次形成上下层叠结构。

参照附图3，辐射地板3与三种介质板的形状以及大小均相同，在其中心位置附近开有2×2的四条S×H缝隙31，其尺寸大小S＝2mm，H＝17.8mm，相邻之间的横向和纵向间距均为N＝23mm。

馈电网络5是由一条第一微带线51、一条第二微带线52、两条第三微带线53、两条第四微带线54和四条第五微带线55连接而成，其中第五微带线55是由两段长度不同且相互正交的微带线组成的L型结构，第一微带线51起始端是馈电端口，与配套的同轴头内心相连接，末端与第二微带线52垂直连接并相交于其中点；第二微带线52的两端分别连接有第三微带线53，第三微带线53的另一端与第四微带线54垂直连接并相交于其中点，第四微带线54的两端分别与第五微带线55的短边相连，第五微带线55的另一端位于四个矩形缝隙31的正下方且正交于其中点位置，用于耦合馈电；采用不同尺寸和结构的微带线能够更好地实现天线的阻抗匹配。

所述的第一微带线51长宽分别为62mm和1.8mm。

所述的第二微带线52长宽分别为29mm和1mm。

所述的第三微带线53长宽分别为8mm和1.8mm。

所述的第四微带线54长宽分别为23.8mm和1mm。

所述的第五微带线55是由长分别为15.6mm和10.2mm，宽均为1.8mm的两段微带线组成。

参照附图4，全息表面1由四种不同边长的正方形金属贴片周期排布而成，四种金属贴片以最长边长的金属贴片为中心，其边长随贴片中心到全息介质板(2)中心横向和纵向距离的增加而变化，由长到短再到长，周而复始；全息表面1设置四个与 辐射地板3位置相对应的M1×M2缝隙15，其中缝隙的宽度M1＝7.5mm，缝隙的长度M2＝21.5mm，相邻缝隙间距N＝23mm，全息表面1缝隙比辐射地板3稍大既可以最大可能保护全息表面性质，又可以减少引入全息表面对天线增益和频率偏移的影响，保持天线原有辐射特性。

参照附图5，全息介质板2是采用介电常数为4.4的FR4材料，FR4介电常数比较大，更容易实现小型化，在尺寸一定的情况下可以设置更多的金属片使全息表面1性质更好；在介质板上设置四个与全息表面1位置相对应且尺寸相等的四个M1×M2的通孔21。

参照附图6，四种不同的金属贴片分别为第一金属贴片11、第二金属贴片12、第三金属贴片13和第四金属贴片14，其边长分别为n1、n2、n3和n4，四种边长的取值分别为0.8mm、2mm、3.2mm和4.4mm，相邻贴片横向和纵向间距为D＝5mm。

实施例2：

实施例2与实施例1的结构相同，仅对以下参数作了调整：缝隙15和通孔21的宽度M1＝8.5mm，长度M2＝22.5mm，四种金属贴片的边长分别为n1＝1.6mm，n2＝2.8mm，n3＝4mm，n4＝5.2mm。

实施例3：

实施例3与实施例1的结构相同，仅对以下参数作了调整：缝隙15和通孔21的宽度M1＝8mm，长度M2＝22mm，四种金属贴片的边长分别为n1＝1.2mm，n2＝2.4mm，n3＝3.6mm，n4＝4.8mm。

本发明的优点可通过以下针对实施例的仿真进一步说明：

1、仿真内容 

1.1)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例3的S参数进行仿真计算，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3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3缝隙阵列天线在x-z面的辐射方向图，8(b)为实施例3缝隙阵列天线在y-z面的辐射方向图。

1.3)利用商业仿真软件CST Microwave Studio 2011对上述实施例3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3缝隙阵列天线在x极化电磁波垂直照射下的雷达截面与现有缝隙阵列天线的对比图，9(b)为实施例3缝隙阵列天线在y极化电磁波垂直照射下的雷达截面与现有缝隙阵列天线的对比图。

2、仿真结果

从图7可见，本发明缝隙阵列天线与现有缝隙阵列天线的S参数曲线基本重合，在S参数小于-10dB的条件下，具有5.425GHz-5.535GHz的工作频带，中心频率相对于现有的缝隙阵列天线偏移0.45％，属于可接受范围，这说明本发明缝隙阵列天线具有与现有缝隙阵列天线类似的阻抗带宽。

从图8(a)和图8(b)可以看出，本发明缝隙阵列天线与现有缝隙阵列天线的辐射方向图主瓣基本重合并且本发明缝隙阵列天线的最大辐射方向始终垂直于辐射地板表面，最大增益为11.6dBi，这说明本发明缝隙阵列天线具有与现有缝隙阵列天线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极化和y极化情况下，本发明缝隙阵列天线的雷达截面在5～25GHz范围内，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缝隙阵列天线具有良好的辐射性能以及与现有缝隙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 (7)

1.一种基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，包括辐射地板(3)、辐射介质板(4)、馈电网络(5)、反射介质板(6)和金属反射板(7)；辐射地板(3)和馈电网络(5)分别印制在辐射介质板(4)的上下表面，金属反射板(7)印制在反射介质板(6)的下表面，辐射介质板(4)和反射介质板(6)由上而下紧密粘合，其特征在于还包括全息表面(1)和全息介质板(2)，所述全息表面(1)印制在全息介质板(2)的上表面，该全息表面(1)是由四种不同边长的正方形金属贴片周期排布而成，四种金属贴片以最长边长的金属贴片为中心，其边长随贴片中心到全息介质板(2)中心横向和纵向距离的增加而变化，由长到短再到长，周而复始，在全息表面(1)的中心位置附近设置有2×2个矩形缝隙(15)；所述三个介质板(2，4，6)依次形成上下层叠结构。

2.根据权利要求1所述的基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，其特征在于所述全息介质板(2)采用介电常数为4.4的FR4材料，辐射介质板(4)和反射介质板(6)均采用介电常数为2.65的F4B材料，形状均为正方形，厚度分别为h1、h2和h3，其中h3>h1>h2。

3.根据权利要求1所述的基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，其特征在于所述四种金属贴片是由第一金属贴片(11)、第二金属贴片(12)、第三金属贴片(13)和第四金属贴片(14)组成，边长分别为n1、n2、n3和n4，其中n1＝0.8～1.6mm、n2＝2～2.8mm、n3＝3.2～4mm、n4＝4.4～5.2mm，相邻贴片的横向和纵向间距相等。

4.根据权利要求1所述的基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，其特征在于所述辐射地板(3)的中心位置附近设置有2×2条、尺寸为S×H的矩形缝隙(31)，H>S，相邻缝隙的横向和纵向间距相等。

5.根据权利要求1所述的基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，其特征在于所述全息表面(1)上设置的2×2个矩形缝隙(15)，其位置与辐射地板(3)上的四条矩形缝隙(31)的位置对应，尺寸为M1×M2，M1>S，M2>H。

6.根据权利要求1所述的基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，其特征在于所述全息介质板(2)上设置有四个矩形通孔(21)，这四个矩形通孔与全息表面(1)上的四个矩形缝隙(15)的位置和大小相同。

7.根据权利要求1所述的基于全息表面的低雷达截面缝隙阵列天线，其特征在于所述馈电网络(5)是由一条第一微带线(51)、一条第二微带线(52)、两条第三微带线(53)、两条第四微带线(54)和四条第五微带线(55)连接而成，其中第五微带线(55)是由两段长度不同且相互正交的微带线组成的L型结构；该馈电网络(5)的起始端与配套的同轴头内心相连，其末端位于四个矩形缝隙(31)的正下方且正交于其中点位置，用于耦合馈电。