CN106654569B - 一种单极子天线的锥形能量选择天线罩及天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁防护领域，具体涉及一种单极子天线的锥形能量选择天线罩及天线系统。所述天线罩包括介质基板、金属层和半导体器件，所述介质基板的形状为空心的圆锥体状，所述金属层覆盖在介质基板上，所述金属层上镂空若干个圆环缝隙，在每个圆环缝隙上等间隔设置4个半导体器件，所述半导体器件连接圆环缝隙内外的金属层。所述天线系统包括上述单极子天线的锥形能量选择天线罩，及设置在锥形能量选择防护罩内部的单极子天线；本发明同时解决了单极子天线系统的强电磁场防护以及单站RCS缩减问题，相对于传统的天线罩，功能更为全面。天线罩不影响正常信号通过，锥形结构的设计使得单极子天线能有效应用于飞行器上。

Description

一种单极子天线的锥形能量选择天线罩及天线系统
技术领域
本发明属于电磁防护领域，具体涉及一种单极子天线的锥形能量选择天线罩及天线系统。主要用于单极子天线在强电磁脉冲辐照时系统前端的屏蔽防护，以及正常来波情况下单站雷达散射截面积(RCS)缩减。
背景技术
电磁脉冲武器与高功率微波武器攻击速度快，范围广，兼具软硬杀伤能力，目前，高功率脉冲功率驱动源技术、高功率微波产生、发射、传输与控制技术以及高功率微波效应机理等基础研究与关键技术取得重大突破，强电磁武器走向实战应用。强电磁辐射对电子设备危害极大，电磁波通过天线将能量耦合进入到系统前端，通过击穿效应与热效应破坏电子设备。另外，天线的RCS缩减一直是目标隐身的难点问题，需要通过合理的结构设计来达到减小天线RCS的目的。
能量选择表面通过半导体阵列结合金属周期单元构建的压控导电结构，其表面阻抗随入射电磁场强度不同而发生转变，从而具备能量选择特性，能有效兼顾设备正常使用以及强场防护。
文献[1]分析了针对强电磁脉冲武器的能量选择防护罩，当电磁波的能量低于安全阈值的时候能够无损或低损地进入射频系统前端，超过安全阈值的时候能量则会被反射。单极天线形式简单，广泛应用于武器装备上，包括一些飞行器上，而其RCS一直是飞行设备隐身的难点问题，而且考虑到许多飞行器(如：机载雷达，导弹)上面的天线罩设计要满足空气动力学的要求，因此，不能采用平面或者是球形的结构。文献[2]设计了鼻锥结构的天线罩，并对单极子天线加载锥形天线罩前后的单站RCS进行了对比。
现有的能量选择表面相关研究集中于贴片加载有源器件平面周期结构，不符合空气动力学，不适用于飞行器上使用，频带一般限制在2GHz以下，其二极管加载方式不能应用于非平面结构的天线罩形式。而关于锥形天线罩的研究并未涉及电磁防护功能，也未对天线罩上进行有源加载进行研究，功能单一。相关现有技术参考文献如下：
[1]Yang C,Liu P G,Huang X J.A novel method of energy selectivesurface for adaptive HPM/EMP protection[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters.2013(12):112-115.
[2]Lin B Q,Zheng Q R,et al.Design and Simulation of a MiniatureThick-Screen Frequency Selective Surface Radome[J].IEEE Antenna&WirelessPropagation Letters,2009,8(4):1065-1068.
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种锥形能量选择防护罩针对单极子天线这种应用广泛的天线形式，既能实现能量敏感自适应开关特性达到强场防护的目的，又能有效地减小天线的单站RCS，实现功能的复合。具体技术方案如下：
一种单极子天线的锥形能量选择天线罩，包括介质基板、金属层和半导体器件，所述介质基板的形状为空心的圆锥体状，所述金属层覆盖在介质基板上，所述金属层上镂空若干个圆环缝隙，在每个圆环缝隙上等间隔设置4个半导体器件，所述半导体器件连接圆环缝隙内外的金属层。
进一步地，所述圆环缝隙在圆锥体表面上呈准周期排列，圆环缝隙在圆锥体表面上紧密排列且相互之间不重叠交叉。
进一步地，所述半导体器件为二极管。
进一步地，所述介质基板展开后为300°扇面，由5个完全相同的60°扇面组合构成；在每个扇面上，圆环缝隙的排列方法为：从扇面顶部开始分层排列，按照每层逐渐增加1个圆环缝隙的方式，直至底层圆环缝隙排列到扇面底部。
进一步地，所述每个圆环缝隙上的4个半导体器件，其中两个半导体器件对称设置过圆环缝隙圆心且平行于60°扇面外沿的弧线上，另外两个半导体器件对称设置以扇面顶点为圆心的射线上。
本发明还提供了一种单极子天线系统，包括上述单极子天线的锥形能量选择天线罩，及设置在锥形能量选择防护罩内部的单极子天线；所述单极子天线置于锥形天线罩内部，天线罩锥体底面与单极子天线接地面贴合，所述贴合的方式为粘接或焊接。
采用本发明获得的有益效果：本发明同时解决了单极子天线系统的强电磁场防护以及单站RCS缩减问题，相对于传统的天线罩，功能更为全面。天线罩不影响正常信号通过，而对工作频带内的强场辐射产生大于15dB的衰减。同时，对天线工作频带外的雷达散射截面积缩减达到10dB。此外，锥形结构的设计使得单极子天线能有效应用于飞行器上。
附图说明
图1为本发明天线罩结构示意图；
图2为本发明天线罩的圆锥体展开后结构示意图；
图3为圆环缝隙与金属层的局部结构图，(a)为正视图、(b)为侧视图；
图4为本发明天线罩展开后60°扇面结构示意图；
图5为实施例中模拟软件生成的仿真图及局部放大图，(a)为正视图、(b)为俯视图；
图6为单极子天线结构示意图；
图7为本发明天线系统的模拟仿真图及局部放大图；
图8为单极子天线反射系数S11图；
图9为单极子天线方向图，(a)为方位角Φ＝0°，(b)为俯仰角θ＝60°
图10为圆环缝隙结构的传输系数S21角度扫描图，(a)为传输模式，(b)为防护模式；
图11为传输模式下单极子天线加罩前后反射系数S11对比图；
图12为传输模式下单极子天线加罩前后方向图对比图，(a)为方位角Φ＝0°、(b)为俯仰角θ＝60°；
图13防护模式下单极子天线加罩前后反射系数S11对比；
图14防护模式下单极子天线加罩前后方向图对比；(a)为方位角Φ＝0°、(b)为俯仰角θ＝60°；
图15为单站雷达散射截面积RCS仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明天线罩结构示意图；一种单极子天线的锥形能量选择天线罩，包括介质基板1、金属层2和半导体器件3，所述介质基板的形状为空心的圆锥体状，所述金属层覆盖在介质基板上，所述金属层上镂空若干个圆环缝隙4，在每个圆环缝隙上等间隔设置4个半导体器件，所述半导体器件连接圆环缝隙内外的金属层。
所述圆环缝隙在圆锥体表面上呈准周期排列。如图2为本发明单极子天线的锥形能量选择天线罩的圆锥体展开后结构示意图；圆锥体上排布严格的周期结构阵列是非常困难的，因此，实施例中设计了共形准周期能量选择表面。如图3所示，实施例中的圆锥体上圆环缝隙的尺寸如表1所示，半导体器件为二极管，介质基板采用轻质高强度泡沫材料PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)。
表1缝隙圆环结构尺寸参数
物理含义 参数 取值(单位：mm)
单元周期 d3 29
外圆直径 d1 28
内圆直径 d2 26.4
金属厚度 t 0.035
介质基板厚度 n 1
每个单元结构由一层介质基板、一个圆环缝隙及四个PIN二极管(BAP6302)构成，上下左右均对称，对应的单元结构参数列在表1，其中，缝的参数由二极管的封装确定。由于要进行柔性设计，故采用柔性印刷电路(FPC)作为介质基板，其造成的损耗可以忽略。为满足强度需求，需加覆一层相对介电常数接近于1的BMI泡沫层。
本发明实施例中，所述介质基板展开后为300°扇面，由5个完全相同的60°扇面组合构成；如图4所示，在每个扇面上，圆环缝隙的排列方法为：从扇面顶部开始分层排列，按照每层逐渐增加1个圆环缝隙的方式，直至底层圆环缝隙排列到扇面底部。从图4中可以看到，位于同一层的所有圆环缝隙圆心，排列在以扇面顶为圆心的同一条弧线上，且圆环缝隙圆心到扇面顶的距离b与过圆环缝隙圆心的弧长a满足条件，b:a＝3:π，图4中给出了第2种情况同样满足b2:a2＝3:π。
所述每个圆环缝隙上的4个半导体器件，其中两个半导体器件对称设置过圆环缝隙圆心且平行于60°扇面外沿的弧线上，另外两个半导体器件对称设置以扇面顶点为圆心的射线上。实施例中，也可以将其中两个半导体器件对称设置过圆环缝隙圆心且平行于60°扇面外沿的弧线上，另外两个对称设置在扇面的角平分线上或过圆环缝隙圆心且平行于角平分线的直线上，使得来波的能在其两端产生较大的感应电压，易于导通。
图4中扇面的个数决定了锥体的倾斜角度，当倾斜角度大于45°时，强场在半导体器件上产生的感应电压过低，导致二极管难以导通，当倾斜角度小于30°时，工作频带外的探测信号相当一部分能量将被反射回入射方向，导致单站RCS增加。因此，选取五份图4中扇面构建锥形防护罩，倾斜角约为35°，能很好兼顾强场防护与单站RCS缩减。将二维扇面结构卷成三维立体结构后，具体的结构参数如表2所示。
表2锥形准周期结构能量选择表面(ESS)尺寸参数
结构参数 r l h
取值(单位：mm) 130.50 217.50 72.14
图5为实施例中模拟软件生成天线罩的仿真图及局部放大图，其中(a)为正视图、(b)为俯视图。
本发明还提供了一种单极子天线系统，包括上述单极子天线的锥形能量选择天线罩，及设置在锥形能量选择防护罩内部的单极子天线；所述单极子天线置于锥形天线罩内部，天线罩锥体底面与单极子天线接地面贴合，通过粘接或焊接连接在一起。
实施例中确定单极子天线的工作频带，并根据其频带设计单极子天线，按照典型的单极子天线设计方法，其极子长度在四分之一波长附近，由于接地面不是严格的无限大理想导体平面，最大辐射方向会向上半空间偏移。以工作频点设计在2.26GHz的单极子天线为例，通过CST软件仿真，单极子长度为31mm,接地面为直径217.50mm的金属圆盘，天线采用50Ω同轴线进行馈电。如图6所示，为单极子天线结构图，由极子5、同轴接头6和接地面7组成。
单极子天线不属于平面结构天线，且向上半空间辐射电磁波，传统的平面天线罩占据空间大且影响辐射性能，所以一般采用锥形或者鼻锥形的天线罩。在锥形结构上无法排布严格的周期结构，只能用近似的准周期结构进行替代。由于不是严格的周期结构，单元与单元之间的间隔并不完全一致，而半导体器件的尺寸是固定的，所以设计能量选择表面时，半导体器件只能加载在单元内部。另外，圆形单元各向均匀，应用在锥形结构上具有独特优势。综上考虑，采用本发明提供的天线罩。如图7所示为单极子天线与本发明天线罩组成天线系统的模拟仿真图及局部放大图。
下面通过计算机仿真软件CST对本发明和现有技术进行仿真计算。对图6中单极子天线进行仿真，获得天线的反射系数S11以及方向图，结果如图8及图9所示。通过图8仿真结果可知，单极子天线的-10dB带宽为2.117GHz至2.415GHz，相对带宽达到13.4％，在2.26GHz的输入反射系数为-13.5dB。作出方位角Φ＝0°天线方向图，从图9(a)中可以看出来，最大功率辐射方向为俯仰角θ＝60°的时候。因此，可以用加天线罩前后θ＝60°天线方向图变化情况反映天线罩的透波及防护性能，并判断其对天线性能的影响。在不加天线罩的情况下，仿真得到θ＝60°天线方向图如图9(b)所示，单极子天线具有全向性。
对图3中平面结构延伸得到的能量选择表面进行仿真，结果如图10所示，圆环缝隙结构的传输系数S21角度扫描图，(a)为传输模式，(b)为防护模式。在二极管导通之前，即传输模式下，能量选择表面处于带通状态，垂直入射时，谐振点在2.26GHz，1dB带宽为1.97GHz到2.45GHz，相对带宽22％，随着入射角度增加，谐振点基本不变，通带带宽变小，入射角大于60°相对带宽为10.9％。强场辐照下，在二极管导通以后，即防护模式下，在之前的通带范围内，衰减大于15dB，而且随着入射角度增大而增大。综合分析，这种圆环缝隙单元的角度稳定性在工作频点基本满足作为带通能量选择表面的要求，工作频带与单极子天线一致。
正常来波下，二极管处于截止状态，天线罩对电磁波的衰减非常小，此时本发明天线系统的仿真结果如图11、图12所示。仿真所用的二极管为BAP5102。图11传输模式下单极子天线加罩前后反射系数S11对比；图12传输模式下单极子天线加罩前后方向图对比。天线原有的-10dB频带缩减为2.1GHz到2.3GHz，在2.26GHz处的S11达到-24dB。由于天线罩与天线的耦合，在2.36GHz到2.68GHz的S11也降至-10dB以下。天线的工作带宽与设计的周期圆环缝隙-1dB通带(1.97GHz到2.45GHz)较为一致。通过观察天线在2.26GHz时的E面方向图，加天线罩前后变化不大，最大辐射方向依然在θ＝60°处。比较最大辐射方向上的方向图，几乎完全重合，但是由于锥形天线罩是准周期结构，并非各向均匀，会导致细微的方向性差异。综合来看而言，加载天线罩之后，单极子天线的工作频点不变，带宽略有变化，总体性能变化不大，能够正常工作。
强场情况下，二极管处于导通状态，天线罩处于防护模式下。在防护模式下的本发明天线系统仿真结果如图13与图14所示，图13防护模式下单极子天线加罩前后反射系数S11对比；图14防护模式下单极子天线加罩前后方向图对比；在原来的工作频带内，天线发射的信号几乎被全部反射。从方向图来看，最大辐射方向由θ＝60°转为θ＝160°，原来的天线信号是可以透过天线罩向上半空间辐射，但是当二极管全部导通之后，天线辐射的能量主要集中下半空间。这是因为天线罩处于防护模式下时，将电磁波反射，然后通过馈电端口辐射到后向。对比θ＝60°时候的方向图，可以看出辐射功率大大降低。由天线的互易性，可以判断，当二极管全部导通时，天线工作频段内来波的大部分能量将被反射，系统前端能得到有效保护。
单极子天线加载锥形天线罩前后的单站RCS如图15所示。可以看到，随着频率增加，天线的单站RCS逐渐增加，而天线与天线罩一体化天线系统的单站RCS却在逐渐减小。在2.26GHz附近，天线罩处于透波频段，RCS缩减量只有3到5dB散射效果与不加天线罩时接近。而在工作频带外，大部分带外信号的能量由于天线罩的形状被反射到其他地方，一体化天线系统的RCS缩减达到10dB以上，隐身效果大大提高。
本发明在非平面结构上实现有源准周期结构的防护罩。二极管沿平行于60°扇面边缘的弧边方向及其角平分线方向排布，使得来波的能在其两端产生较大的感应电压，易于导通，选取300°扇面构建锥形，使锥体倾角达到约35°，既能有效反射工作频带外的探测信号，实现单站RCS缩减，又能保证强场到来时能在二极管两端产生足够高的感应电压使其导通。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (4)

1.一种单极子天线的锥形能量选择天线罩，其特征在于：包括介质基板、金属层和半导体器件，所述介质基板的形状为空心的圆锥体状，所述金属层覆盖在介质基板上，所述金属层上镂空若干个圆环缝隙，在每个圆环缝隙上等间隔设置4个半导体器件，所述半导体器件连接圆环缝隙内外的金属层，所述介质基板展开后为300°扇面，由5个完全相同的60°扇面组合构成；在每个扇面上，圆环缝隙的排列方法为：从扇面顶部开始分层排列，按照每层逐渐增加1个圆环缝隙的方式，直至底层圆环缝隙排列到扇面底部。
2.如权利要求1所述的一种单极子天线的锥形能量选择天线罩，其特征在于：所述半导体器件为二极管。
3.如权利要求1所述的一种单极子天线的锥形能量选择天线罩，其特征在于：所述每个圆环缝隙上的4个半导体器件，其中两个半导体器件对称设置过圆环缝隙圆心且平行于60°扇面外沿的弧线上，另外两个半导体器件对称设置以扇面顶点为圆心的射线上。
4.一种单极子天线系统，其特征在于：包括权利要求1-3中任一一项所述单极子天线的锥形能量选择天线罩，及设置在锥形能量选择防护罩内部的单极子天线；所述天线罩的锥体底面与单极子天线接地面贴合，所述贴合的方式为粘接或焊接。
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