CN107039760A - 一种低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，包括辐射单元和微带馈电结构；其中，所述辐射单元对称地设置在介质板的两个侧面，所述微带馈电结构设置在所述两个辐射单元之间的介质板中。本发明的低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，由于将天线的辐射单元左右两侧开有对称的指数渐变开槽，介质材料板采用开有周期性圆柱通孔的PBG结构，从而有效地减小了辐射单元的表面覆盖面积，同时采用PBG结构的介质板设计能有效的减小其爬行波散射，使其与现有的同种天线相比具有更低的雷达散射截面，便于实现天线隐身。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线。
背景技术
雷达散射截面RCS是雷达探测技术中表征目标可识别特性的一个最基本的参数，是目标在平面波照射下在给定方向上返回功率的一种量度。雷达散射截面减缩就是控制和降低被探测目标的雷达散射截面，降低敌方电子探测系统和武器平台战斗效力，从而提高军用目标的突防能力和生存能力。如何减缩目标的雷达散射截面，减缩效果如何，对当前面临的复杂电磁环境下战争的胜败意义重大。对于低可见平台，平台上的天线对其总雷达散射截面贡献较大。因此，减缩天线单元的雷达散射截面对于减缩大型阵列天线的雷达散射截面尤为重要。但是由于天线系统自身工作特点，它必须保证能够正常接收和发射自身频段的雷达波，因此常规的隐身措施不可以简单地应用在天线隐身中，这就使天线系统隐身成为隐身技术中难以解决的问题。目前国内外还没有找到一种完全理想的途径，既可显著降低天线的雷达散射截面又不影响天线对电磁波的发射和接收，这就使得发明同时满足辐射特性、散射特性要求的天线更加重要。
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。
超宽带雷达系统具有较高的距离分辨率和宽的频谱，具有精确的目标识别能力，能获得复杂目标的细微特征，在军事反导以及目标识别等方面具有广泛的应用价值。然而，为了提高超宽带雷达的战场生存率，必须对其进行隐身处理。超宽带天线是超宽带雷达系统中最主要的外部设备，所以研制低雷达散射截面的超宽带天线具有重要的意义。
随着超宽带技术的发展，对具有超宽带频谱特性的天线的需求越来越大。在过去，很多宽带单极子形式的天线被广泛应用于超宽带系统中，例如辐射单元为圆形，方形，椭圆形，五角形，六角形等的天线，这些天线可以很好的满足天线的带宽特性。但是这些天线的辐射地板与辐射单元往往不在同一平面，不利于天线与载体共形，因而限制了这些超宽带天线的实际工程应用。此外，现有的一种双层超宽带Vivaldi天线，天线正面印制有开有指数渐变槽线的长为100mm，宽为60mm的矩形金属辐射单元，反面印制有带有扇形微带短截线的微带馈电结构，该天线虽具有良好的超宽工作频带，但是矩形的金属辐射单元使其天线雷达散射截面很高，不利于天线的隐身。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，能够减小天线雷达散射截面，并易实现天线与载体的共形。
本发明的目的是提供了一种低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，具体包括：辐射单元和微带馈电结构；
其中，所述辐射单元对称地设置在介质板的两个侧面，所述微带馈电结构设置在所述两个辐射单元之间的介质板中。
其中，所述辐射单元包括直角部件，两个指数渐变臂以及将指数渐变臂分别连接到所述直角部件的连接件；
其中，所述两个连接件的两个相邻的侧边向直角部件延伸形成圆形谐振腔，两个连接件的相远离的侧边为圆弧结构，与每个连接件相连的直角部件的侧边与所述直角部件的另一侧形成夹角，每个所述指数渐变臂的两个侧边为指数渐变结构。
其中，所述直角部件、两个指数渐变臂与两个连接件为一体结构。
其中，所述微带馈电结构包括扇形微带短截线，与所述微带短截线相连的直线微带馈电线，与所述直线微带馈电线的另一端连接的直线渐变微带馈电线。
其中，所述介质板为双层结构，所述微带馈电结构设置在所述介质板的两层之间。
其中，所述介质板为单层结构，所述介质板的中间设置有用于放置所述微带馈电结构的凹槽。
其中，所述介质板上，不被所述辐射单元覆盖的区域具有通孔。
其中，所述通孔的直径为4mm，通孔之间的间距为4.7mm。
其中，所述两个指数渐变臂以所述圆形谐振腔的对称轴为对称轴相对称设置。
其中，所述介质板为PBG结构。
本发明的低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，由于将天线的辐射单元左右两侧开有对称的指数渐变开槽，介质材料板采用开有周期性圆柱通孔的PBG结构，从而有效地减小了辐射单元的表面覆盖面积，同时采用PBG结构的介质板设计能有效的减小其爬行波散射，使其与现有的同种天线相比具有更低的雷达散射截面，便于实现天线隐身。
附图说明
附图，其被包括以提供本发明的进一步理解而且被并入并构成本说明书的一部分，所述附图示出本发明的实施例并且连同说明书用来解释本发明的原理，在附图中：
图1示出了本发明的低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线的结构示意图。
图2示出了本发明的天线的辐射单元的结构示意图。
图3示出了本发明的天线的微带馈电结构的结构示意图。
图4示出了本发明的天线的一个实施例的几何结构参数示意图。
图5示出了本发明实施例的天线的工作频率－电压驻波比曲线图。
图6a-图6c示出了本发明实施例的天线在E面和H面的远场方向图。
图7示出了本发明实施例的天线与现有天线RCS曲线比对图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明的低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线的结构示意图。
参照图1，本发明实施例的低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，主要包括：辐射单元1和微带馈电结构3，其中，辐射单元1对称地设置在介质板2的两个侧面，微带馈电结构3设置在两个辐射单元之间的介质板2的内部。
具体地，辐射单元1包括直角部件，两个指数渐变臂以及将指数渐变臂分别连接到所述直角部件的连接件。如图2所示，两个连接件的两个相邻的侧边向直角部件延伸形成圆形谐振腔1-7，两个连接件的相远离的侧边为圆弧结构1-3，与每个连接件相连的直角部件的侧边1-5与所述直角部件的另一侧形成夹角，每个指数渐变臂的两个侧边为指数渐变结构，如相邻侧1-1和相远离侧1-2，均为指数渐变形状。
另外，如图2所示，指数渐变臂的相远离的侧边均与对应的连接件的圆弧结构1-3相连，圆弧结构1-3与直角部件的侧边1-5通过曲边1-4连接。
此外，指数渐变臂的相邻侧1-1的上部向延伸到连接件的相邻侧边1-6，并向上延伸形成圆形谐振腔1-7。
基于上述结构，在一个实施例中，直角部件、两个指数渐变臂与两个连接件为一体结构。
进一步地，辐射单元1的两个指数渐变臂以圆形谐振腔的对称轴为对称轴相对称设置。
在又一个实施例中，如图3所示，微带馈电结构3包括扇形微带短截线3-1，与微带短截线3-1相连的直线微带馈电线3-2，与直线微带馈电线3-2的另一端连接的直线渐变微带馈电线3-3。
进一步地，介质板2可以设置为双层结构，微带馈电结构3设置在所述介质板的两层之间。另外，介质板2也可以为单层结构，介质板2的中间设置有用于放置微带馈电结构3的凹槽。此外，根据需要，介质板也可以使用多层结构，在此不做具体限定。
在进一步的实施例中，如图1所示，在介质板上，不被辐射单元1覆盖的区域具有周期性分布的通孔。
在又一个实施例中，介质板设置为PBG结构。
上述实施例的天线，理论计算结果和实测结果表明，该天线同时具有超宽频带特性和低雷达散射截面特性，并且该天线可实现3.5GHz～10.6GHz的工作频带；在平行于天线表面和与天线表面夹角为10°的掠入射方向的威胁角度上的单站雷达散射截面比现有的天线低。
在一个具体的实施例中，如图4所示，圆形谐振腔1-7与介质板的距离Lg设定为5mm，圆形谐振腔1-7的直径D1为10mm，两个指数渐变臂的相邻侧1-1的内侧宽度Ws为1mm，并且两个指数渐变臂的相邻侧的指数渐变率R＝0.03mm-1，两个指数渐变臂的相邻侧1-1的外侧开口宽度h为51mm，两个指数渐变臂的长度L为80mm，微带馈电结构一端的扇形短截线3-1半径为7.8mm，开口角度Ar为110°，与扇形短截线相连的直线微带馈电线3-2宽度Wm2为0.82mm，长度为10mm，与直线微带馈电线相连的直线渐变微带馈电线3-3的外端宽度Wm1为2.4mm，辐射单元的两个指数渐变臂的相远离侧1-2的开槽长度La1为54.7mm，指数渐变率为R＝0.03mm-1，与之相邻的连接件的圆弧结构1-3的开槽半径Ra2为8mm，过度曲边1-4的弧线半径Ra1为9mm，直角部件的外侧的开槽长度La2为17.9mm，介质板2的长度d为100mm，宽度b为60mm，介质板2上周期性圆柱通孔分布于不被辐射单元覆盖的区域，通孔直径D2为4mm，间距Ld为4.7mm。
以上述实施例的数据，利用仿真软件对天线的电压驻波比、远场辐射方向图、和单站雷达散射截面进行仿真计算，并进行比较。
图5示出了本发明实施例的天线的工作频率－电压驻波比曲线图。如图5所示，本发明实施例的天线在电压驻波比小于2.0条件下的工作频带为3.5GHz～10.6GHz，说明本实施例的天线具有良好的宽带特性，能够满足超宽带天线的要求。
进一步地，如图6a为天线工作在5GHz时的远场方向图，图6b为天线工作在8GHz时的远场方向图，图6c为天线工作在10GHz时的远场方向图。从图6a-图 6c可看出，天线的最大辐射方向保持稳定，进一步说明本发明实施例的天线具有良好的超宽带方向图特性。
图7示出了本发明实施例的天线与现有天线RCS曲线比对图。
图7为计算出的本发明天线与现有天线的单站雷达散射截面对比图，从图7中可看出，本发明天线在3GHz～11GHz的平面波照射下的单站雷达散射截面小于现有天线，说明本发明实施例的天线具有比现有天线更小的雷达散射截面。
本发明的低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，由于将天线的辐射单元左右两侧开有对称的指数渐变开槽，介质材料板采用开有周期性圆柱通孔的PBG结构，从而有效地减小了辐射单元的表面覆盖面积，同时采用PBG结构的介质板设计能有效的减小其爬行波散射，使其与现有的同种天线相比具有更低的雷达散射截面，便于实现天线隐身。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低雷达散射截面双层超宽带Vivaldi天线，其特征在于，包括辐射单元和微带馈电结构；
其中，所述辐射单元对称地设置在介质板的两个侧面，所述微带馈电结构设置在所述两个辐射单元之间的介质板中。
2.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述辐射单元包括直角部件，两个指数渐变臂以及将指数渐变臂分别连接到所述直角部件的连接件；
其中，所述两个连接件的两个相邻的侧边向直角部件延伸形成圆形谐振腔，两个连接件的相远离的侧边为圆弧结构，与每个连接件相连的直角部件的侧边与所述直角部件的另一侧形成夹角，每个所述指数渐变臂的两个侧边为指数渐变结构。
3.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述直角部件、两个指数渐变臂与两个连接件为一体结构。
4.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述微带馈电结构包括扇形微带短截线，与所述微带短截线相连的直线微带馈电线，与所述直线微带馈电线的另一端连接的直线渐变微带馈电线。
5.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述介质板为双层结构，所述微带馈电结构设置在所述介质板的两层之间。
6.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述介质板为单层结构，所述介质板的中间设置有用于放置所述微带馈电结构的凹槽。
7.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述介质板上，不被所述辐射单元覆盖的区域具有通孔。
8.根据权利要求7所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述通孔的直径为4mm，通孔之间的间距为4.7mm。
9.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述两个指数渐变臂以所述圆形谐振腔的对称轴为对称轴相对称设置。
10.根据权利要求1所述的Vivaldi天线，其特征在于，所述介质板为PBG结构。
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