CN107069233A - 具有低rcs特性的微带贴片天线 - Google Patents

具有低rcs特性的微带贴片天线 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种具有低RCS特性的微带贴片天线，包括天线本体，所述天线本体包括辐射贴片，还包括贴敷在辐射贴片周围的多组极化旋转片模块，每组极化旋转片模块均包括多个行列排列的极化旋转片单元，各组极化旋转片模块均沿同一旋转方向呈90度旋转排布，其中所述的极化旋转片单元包括中间的介质板、位于介质板下部的金属底板以及位于介质板上部的金属贴片，各极化旋转片模块内的金属贴片的朝向一致，所述的金属贴片包括两个一体相接的呈中心对称的贴片单元，每个贴片单元均包括从内向外首尾一体相接的第一贴片和第二贴片，第一贴片和第二贴片均包括直片段和与直片段交叉形成箭头状的两个尾片段。

Description

具有低RCS特性的微带贴片天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更进一步地涉及电磁场与微波技术领域的天线隐身技术。
背景技术
微带贴片天线(microstrip antenna)是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属的贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线，普遍运用于各种飞行器上。
隐身技术是隐蔽自己以免被敌人发现，以此来增强突击能力和自我保护能力的重要手段，是现代电子信息化中不可缺少的组成部分，并且受到了大家的高度重视，在现代军事上占据着至关重要的地位。目前，对于飞行器本身的雷达散射截面(RCS)减缩已不再困难，但是，飞行器上的微带贴片天线会在一定视角范围内产生很大的雷达散射截面，因此，微带贴片天线的雷达散射截面减缩迫待解决。
发明内容
本发明提供一种具有低RCS特性的微带贴片天线。
本发明具有低RCS特性的微带贴片天线，包括天线本体，所述天线本体包括辐射贴片，还包括贴敷在辐射贴片周围的多组极化旋转片模块，每组极化旋转片模块均包括多个行列排列的极化旋转片单元，各组极化旋转片模块均沿同一旋转方向呈90度旋转排布，其中所述的极化旋转片单元包括中间的介质板、位于介质板下部的金属底板以及位于介质板上部的金属贴片，各极化旋转片模块内的金属贴片的朝向一致，所述的金属贴片包括两个一体相接的呈中心对称的贴片单元，每个贴片单元均包括从内向外首尾一体相接的第一贴片和第二贴片，第一贴片和第二贴片均包括直片段和与直片段交叉形成箭头状的两个尾片段。
进一步地，所述的天线本体采用同轴线馈电，所述天线本体还包括介质基本，所述介质基本的材质与所述极化旋转片单元的介质板的材质相同。因为极化旋转表面单元是要组成阵列排布在微带天线周围的，所以，其采用的介质是跟要减缩的RCS的天线的介质一样。
进一步地，所述天线本体的参数如下：辐射贴片的长度为19mm，宽度为26.5mm，馈电点位置距侧边的距离为5.5mm，介质基本的长度和宽度均为53mm，同轴线内芯半径为0.6mm，同轴线内芯外径为1.5mm。
进一步地，所述介质板的上表面为正方形，所述金属贴片以介质板上表面的对角线为轴对称线，所述第一贴片和第二贴片的两个尾片段分别与介质板的两个侧边平行。
进一步地，所述介质板的厚度为3.6mm，相对介电常数为2.65，损耗正切角为0.001。
进一步地，所述介质板上表面的边长为6mm，第二贴片的两个尾片段与介质板上表面侧边的距离均为0.2mm。
进一步地，所述第二贴片的两个尾片段的长度为2mm，第一贴片的两个尾片段的长度为1.8mm，第一贴片和第二贴片的尾片段的宽度均为0.4mm，第一贴片的尾片段的端部到所述金属贴片的对称中心的距离为1.7mm。
进一步地，所述极化旋转片单元的工作频率是5.7-17.5GHz，在上述工作频率内的极化旋转效率在80％以上。
进一步地，所述的极化旋转片模块呈L形，所述极化旋转片模块位于内侧的两个侧面分别与辐射贴片的两个侧边平行，相邻两个极化旋转片模块之间的距离为4.2mm。
进一步地，本发明的具有低RCS特性的微带贴片天线，当频率在11.5GHz时，RCS减缩15dB。
本发明的技术优势是：本发明所设计的具有低RCS特性的微带贴片天线，可以在保证微带贴片天线辐射特性不受影响的基础上实现显著的雷达散射截面的减缩，在工作频带内雷达散射截面的减缩量最大达到了15dB。
附图说明
图1是本发明实施例中极化旋转片单元的主视图；
图2是图1中极化旋转片单元的俯视图；
图3是图2中极化旋转片单元的反射系数仿真图；
图4是图2中极化旋转片单元的极化旋转率PCR结果图；
图5是x极化入射波和其反射波的电场矢量图；
图6是图2中极化旋转片单元的阵列结构图一；
图7是图2中极化旋转片单元的阵列结构图二；
图8是图6中阵列结构图一、图7中阵列结构图二与参考表面的RCS对比图；
图9是本发明实施例中采用同轴线馈电的微带贴片天线的主视图；
图10是图8中采用同轴线馈电的微带贴片天线的俯视图；
图11是本发明中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线俯视图；
图12是图11中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线和参考天线的S11曲线比较图；
图13是图11中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线和参考天线在xoz面方向的增益对比图；
图14是图11中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线和参考天线在yoz面方向的增益对比图；
图15是图11中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线和参考天线在x方向极化波垂直入射的单站RCS对比图；
图16是图11中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线和参考天线在y方向极化波垂直入射的单站RCS对比图；
图17是图11中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线和参考天线被x方向极化波斜入射时的单站RCS比较图；
图18是图11中贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线和参考天线被y方向极化波斜入射时的单站RCS比较图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图1和附图2中的附图标记：介质板1、金属贴片2、贴片单元21、第一贴片211、尾片段2111、直片段2112、金属底板3。
本实施例的极化旋转片单元结构如图1和图2所示，包括中间的介质板、位于介质板下部的金属底板以及位于介质板上部的金属贴片，所述的金属贴片包括两个一体相接的呈中心对称的贴片单元，每个贴片单元均包括从内向外首尾一体相接的第一贴片和第二贴片，第一贴片和第二贴片均包括直片段和与直片段交叉形成箭头状的两个尾片段。进一步地，本实施例中的介质板呈长方体状，而所述介质板的上表面为正方形，所述金属贴片以介质板上表面的对角线为轴对称线，所述第一贴片和第二贴片的两个尾片段分别与介质板的两个侧边平行。
进一步地，所述介质板的厚度t为3.6mm，介质板的相对介电常数εr为2.65，损耗正切角tanδ为0.001。所述介质板上表面的边长p为6mm，第二贴片的两个尾片段与介质板上表面侧边的距离均为g0.2mm。第二贴片的两个尾片段的长度a为2mm，第一贴片的两个尾片段的长度b为1.8mm，第一贴片和第二贴片的尾片段的宽度w均为0.4mm，第一贴片的尾片段的端部到所述金属贴片的对称中心的距离dt为1.7mm。
为了验证上述极化旋转片单元的极化旋转效率，用ansoft HFSS 13.0对上述极化旋转片单元进行仿真。首先，定义同极化和交叉极化分别表示x方向极化入射波到x方向的反射系数和x方向极化入射波到y方向的反射系数，分别用Rxx和Rxx表示。让x方向极化波垂直入射到本实施例所设计的极化旋转片单元上，仿真结果如图3所示。
从图中可以看出，曲线中出现了三个谐振频率点，分别是6GHz、10.3GHz和16.58GHz。在这三个频率点，Rxx几乎为0，而Rxy几乎为1，说明在这三个谐振点，x方向极化入射波通过照射本实施例所述的极化旋转片单元几乎完全转换成了y方向极化反射波，即入射波的极化方向通过极化旋转片单元的反射旋转了90度。
为了进一步阐述本实施例中极化旋转片单元的RCS减缩原理，以第一个谐振频率点为例(如图3所示)，即当上述极化旋转片单元工作在6GHz时，如图5所示，当x方向极化波(入射电场沿着x方向)Ei垂直照射到极化旋转片单元上时，Ei可以分解为与x轴夹角分别为45°和-135°方向上的Eiu和Eiv。由于电谐振，上述极化旋转片单元在v方向可以看作是一个完美的电导体，因此Erv和Eiv是反相的。然而，由于磁共振，上述极化旋转片单元在u方向可以被视为一个高阻抗表面，则Eru和Eiu是同相的。利用矢量合成，这样就得到了极化入射波垂直入射到极化旋转片单元后反射的极化反射波电场矢量。根据上述分析，当相同的x极化入射波分别照射到两个对称结构的极化旋转片单元上时，得到的极化反射波电场矢量的相位差为180°。这样，两个电场的方向相反、数值相同，就会相互抵消，从而实现了RCS减缩。Erv和Eiv分别是v方向的反射电场和入射电场。Eru和Eiu分别是u方向的反射电场和入射电场。
为了更好地描述本实施例所公开的极化旋转片单元的极化转换的效率，定义极化旋转率(polarization conversion ratio，简称PCR)来表示极化旋转片的极化转换效率，其具体的定义式为PCR＝|Rxy|2/(|Rxx|2+|Rxy|2)。图4给出了本实施例极化旋转片单元的极化旋转率的仿真结果图。从图中可以看出，从5.7-17.5GHz，极化旋转率都保持在80％以上。而在三个谐振频率点，极化旋转率则可以达到97％以上，由此证明本设计的极化旋转片单元具有较高的极化旋转效率。
如图7所示，本实施例还公开了一种由如图1和图2所示出的极化旋转片单元构成的极化旋转片，包括多个极化旋转片模块，本实施例以四个极化旋转片模块为例，分别为A1模块、A2模块、A3模块和A4模块，各个极化旋转片模块沿同一旋转方向依次旋转90度形成所述极化旋转片，每个极化旋转片模块均包括行列排列成方格状的极化旋转片单元，每个极化旋转片模块中的极化旋转片单元的数量均由下述公式表示：
n＝m2，其中n为极化旋转片单元的数量，m为方格侧边的极化旋转片数量，m大于等于1；本实施例中优选m为4，n为16。
其中，所述的极化旋转片单元包括中间的介质板、位于介质板下部的金属底板以及位于介质板上部的金属贴片，每个极化旋转片模块中的极化旋转片单元中的金属贴片的朝向均相同，所述的金属贴片包括两个一体相接的呈中心对称的贴片单元，每个贴片单元均包括从内向外首尾一体相接的第一贴片和第二贴片，第一贴片和第二贴片均包括直片段和与直片段交叉形成箭头状的两个尾片段。
进一步地，上述极化旋转片中的极化旋转片单元的介质板呈长方体状，而所述介质板的上表面为正方形，所述金属贴片以介质板上表面的对角线为轴对称线，所述第一贴片和第二贴片的两个尾片段分别与介质板的两个侧边平行。进一步地，所述介质板的厚度t为3.6mm，介质板的相对介电常数εr为2.65，损耗正切角tanδ为0.001。所述介质板上表面的边长p为6mm，第二贴片的两个尾片段与介质板上表面侧边的距离均为g0.2mm。第二贴片的两个尾片段的长度a为2mm，第一贴片的两个尾片段的长度b为1.8mm，第一贴片和第二贴片的尾片段的宽度w均为0.4mm，第一贴片的尾片段的端部到所述金属贴片的对称中心的距离dt为1.7mm。
为了分析本实施例所述的极化旋转片单元的单站雷达散射截面(MonostaticRCS)，与本实施例所述的极化旋转片(称为结构二)不同的是，提供一种对比例的极化旋转片，称为结构一，如图6所示，该对比例的极化旋转片与本实施例提供的极化旋转片不同之处仅在于：各个极化旋转片模块呈行列排列形成所述用于对比的极化旋转片，即极化旋转片单元上的金属贴片的方向均一致。
用一个尺寸为48*48mm的金属板作为参考表面，结构一和结构二的单站RCS仿真结果如图8所示。从图中可以看出，结构二相比参考表面具有低RCS特性。然而，结构一没有显著的RCS减缩贡献。因此，可将结构二应用于微带贴片天线的RCS减缩。
另外，本实施例还公开了一种同轴线馈电的微带贴片天线(即本发明权利要求书中的微带天线本体)。根据如图1和图2所述的极化旋转片单元的设计要求，即已知介质板的厚度t为3.6mm，相对介电常数εr＝2.65，损耗正切角tanδ＝0.001，如图9和图10所示，设计出的微带贴片天线的辐射贴片的长度L＝19mm，宽度W＝26.5mm，馈电点位置L1＝5.5mm，介质基板的长度和宽度均为W1＝2*W＝53mm，同轴线内芯半径为r1＝0.6mm，外径为r2＝1.5mm，工作频率f＝4.3GHz。图9中，4表示参考地，5表示同轴馈线。
我们知道，采用结构二的阵列排布方式，可以实现显著的RCS减缩。因此，在所述的微带贴片天线的基础上，将极化旋转片单元以与结构二相同的方式(即各个极化旋转片模块沿同一旋转方向依次旋转90度)阵列贴在微带贴片天线的贴片周围，称为本发明微带贴片天线。
具体的结构如图11所示，在微带贴片天线的辐射贴片周围贴敷四组极化旋转片模块，极化旋转片模块呈L形，每组极化旋转片模块均包括12个行列排列的极化旋转片单元，各组极化旋转片模块均沿同一旋转方向呈90度旋转排布，极化旋转片模块位于内侧的两个侧面分别与辐射贴片的两个侧边平行。相邻两个极化旋转片模块之间的距离为4.2mm。本实施例中介质基本的材质与所述极化旋转片单元的介质板的材质相同。
本实施例公开的微带贴片天线的RCS减缩方法，包括以下内容：选择一个微带天线本体；选择多个结构和参数均相同的极化旋转片单元，每个极化旋转片单元包括有中间的介质板、贴敷介质板下部的金属底板以及贴敷于介质板上部的金属贴片，选择的金属贴片包括两个一体相接的呈中心对称的贴片单元，每个贴片单元均包括从内向外首尾一体相接的第一贴片和第二贴片，第一贴片和第二贴片均包括直片段和与直片段交叉形成箭头状的两个尾片段；
将上述选择的多个极化旋转片单元分成多组，形成多组极化旋转片模块，每组极化旋转片模块中的极化旋转片单元均呈行列排列，并且使各极化旋转片模块内的金属贴片的朝向一致；
在微带天线本体的辐射贴片的周围贴敷上述多组极化旋转片模块，使各组极化旋转片模块均沿同一旋转方向呈90度旋转排布。
本实施例中RCS的减缩原理如下:
其中,σ是RCS的值，R是离能散射电磁波的散射体的距离，Ei表示入射平面电磁波的电场强度，Es是散射体发射的散射波的电场强度。而极化旋转片单元可以将散射波的方向旋转90°，所以在图10当中相邻极化旋转片模块之间的散射波可以在一定角度范围内实现抵消，即Es减小，那么RCS的值也减小。
为了阐述本实施例公开的贴敷极化旋转片单元的微带贴片天线具有显著的RCS减缩，特与未贴敷该极化旋转片单元的仿真的参考天线(参数与本实施例中的微带贴片天线一致)进行对比。
利用HFSS仿真验证其减缩效果。S参数(即反射系数)的仿真结果如图12所示，图中可以看到，与仿真的中心频率为4.3GHz的参考天线相比，该天线工作在4.29GHz。与仿真的参考天线中心频率相比，频率变化为0.1％，这被认为是一个可接受的值。此外，产生10dB阻抗带宽的变化不明显，因此，该极化旋转片单元对微带贴片天线的谐振频率影响可忽略。
两个天线的方向图对比如图13和图14所示，从图中可以看到，在参考天线周围贴敷了极化旋转片单元后，两个天线的增益几乎没有变化，这都是在可接受范围内。因此，这足以说明，在微带贴片天线周围贴敷本实施例公开的极化旋转片单元对该微带贴片天线的增益影响是微乎其微的。
为了证明上面提出的降低微带贴片天线RCS方法的可行性，参考天线和本发明微带贴片天线的单站RCS仿真结果如图15和图16所示。从图中可以看到，当x方向和y方向极化波分别垂直入射到本发明微带贴片天线上时，都实现了显著的RCS减缩。特别地，当频率在11.5GHz左右时达到了超过15dB的减缩效果。
尽管最不利的RCS方向是当入射波垂直照射时，但是也很有必要分析在极化波斜入射时的情况。图17和图18表示了当本发明微带贴片天线工作在11GHz时，入射角不同时的RCS。可以得出结论：RCS只能在-45°～45°角度范围内达到减缩。
本发明首先设计了一款比较高效率的极化旋转片单元，然后通过将其阵列成极化旋转片模块，再将所述极化旋转片模块沿同一旋转方向依次旋转90度，形成极化旋转片，达到了低RCS特性。在此设计的基础上，又设计了一款采用相同介质基板的微带贴片天线，将具有低RCS特性的极化旋转片贴敷在微带贴片天线的辐射贴片周围来减缩天线RCS，并用HFSS进行了仿真验证。结果表明，此方法可以保证微带贴片天线在其辐射性能不受影响的基础上实现显著的RCS减缩。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种具有低RCS特性的微带贴片天线，包括天线本体，所述天线本体包括辐射贴片，其特征在于，还包括贴敷在辐射贴片周围的多组极化旋转片模块，每组极化旋转片模块均包括多个行列排列的极化旋转片单元，各组极化旋转片模块均沿同一旋转方向呈90度旋转排布，其中所述的极化旋转片单元包括中间的介质板、位于介质板下部的金属底板以及位于介质板上部的金属贴片，各极化旋转片模块内的金属贴片的朝向一致，所述的金属贴片包括两个一体相接的呈中心对称的贴片单元，每个贴片单元均包括从内向外首尾一体相接的第一贴片和第二贴片，第一贴片和第二贴片均包括直片段和与直片段交叉形成箭头状的两个尾片段。
2.根据权利要求1所述的具有低RCS特性的微带贴片天线，其特征在于：所述的天线本体采用同轴线馈电，所述天线本体还包括介质基本，所述介质基本的材质与所述极化旋转片单元的介质板的材质相同。
3.根据权利要求2所述的具有低RCS特性的微带贴片天线，其特征在于：所述天线本体的参数如下：辐射贴片的长度为19mm，宽度为26.5mm，馈电点位置距侧边的距离为5.5mm，介质基本的长度和宽度均为53mm，同轴线内芯半径为0.6mm，同轴线内芯外径为1.5mm。
4.根据权利要求1所述的具有低RCS特性的微带贴片天线，其特征在于：所述介质板的上表面为正方形，所述金属贴片以介质板上表面的对角线为轴对称线，所述第一贴片和第二贴片的两个尾片段分别与介质板的两个侧边平行。
5.根据权利要求1所述的具有低RCS特性的微带贴片天线，其特征在于：所述介质板的厚度为3.6mm，相对介电常数为2.65，损耗正切角为0.001。
6.根据权利要求4所述的具有低RCS特性的微带贴片天线，其特征在于：所述介质板上表面的边长为6mm，第二贴片的两个尾片段与介质板上表面侧边的距离均为0.2mm。
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