CN108521018B - 一种高增益低rcs的圆极化f-p谐振腔天线 - Google Patents

一种高增益低rcs的圆极化f-p谐振腔天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高增益低RCS的圆极化F‑P谐振腔天线，旨在简化天线的结构，同时降低天线的制造成本，包括上介质板和下介质板；上介质板的上表面印制有吸波表面，下表面印制有部分反射表面；其中吸波表面包括N×N个周期性排列的采用四边设置有缺口并在缺口上加载电阻的环状贴片结构的吸波单元，部分反射表面包括N×N个周期性排列的采用中心设置有长短不一的十字型槽和四个边设置有矩形槽的方形贴片结构的部分反射表面单元；下介质板的上表面印制有矩形金属贴片，下表面印制有地板，矩形金属贴片与地板之间通过同轴线相连，并在其周围印制有由多个条带型金属贴片周期性排列组成的面阵构成的高阻抗表面。

Description

一种高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，可用于飞行器的机载天线和雷达通信。
背景技术
在飞机的机载天线，远程传输以及基站天线等领域，很多时候要求天线对于某一个特定方向发射和接收无线电信号的能力特别强，且能够尽可能屏蔽其它方向上无线电信号，于是对于高增益定向性天线的要求越来越高。小型化、轻型化是现代科技发展的一个必然趋势，天线也不例外，即用尽可能小的简单的结构去代替复杂的结构，实现相同的功能。小型低剖面一直是天线的一个指标要求，当满足一定指标要求时候，就能够应用到很多具有特殊要求的场合。法布里-珀罗 (Fabry-Perot)谐振腔天线作为透镜天线的一个分支，它主要是通过介质层作为天线的部分反射表面来提高天线的增益，引发了无线通信领域学者的广泛关注，并且越来越多地应用到了实际应用中，与传统的高增益天线相比，F-P谐振腔天线具备了结构简单，体积小，能耗低等优点，逐步成为国内外学者的一个研究热点。
雷达截面RCS的大小决定了飞行器在执行任务的过程中被敌方雷达发现的概率，因此RCS也被用来衡量目标的隐身特性。降低目标的可侦测性也就意味着对目标使用雷达散射截面减缩技术。2011年以来，电磁超材料由于其可以实现电磁波的异常反射和异常透射的电磁响应特性受到了世界各国研究者的广泛关注，超表面能够灵活地操控电磁波，实现对反射波或透射波的幅度、相位及极化特性的人工调制，从而实现目标的RCS减缩。目前大部分电磁超材料主要由具有谐振性质的金属结构通过周期性排列组成，但是其电磁特性却有很多种类型。例如频率选择表面、光子带隙或叫电磁带隙结构、左手媒质、以及以FSS结构或EBG结构为基础的雷达吸波表面和部分反射表面等，其中部分反射表面在天线带内RCS减缩和提高天线增益方面效果显著。如何在保证天线辐射性能的同时，实现天线带内、带外的RCS减缩尤为重要。
天线的极化方式分为线极化、圆极化和椭圆极化。而圆极化天线是指天线辐射电场矢量E的端点在垂直于传播方向的截面上所描绘出轨迹形状是一个圆。圆极化天线的设计原则主要是:通过产生两个空间正交的线极化电场分量,并使二者幅度相等,相位差90°。由于圆极化天线具有：1、可接收任意极化的来波, 且其辐射波也可由任意极化天线接收；2、圆极化天线具有旋向正交性；3、圆极化波入射到对称目标时旋向反转,能抑制雨雾干扰和抗多径反射等优点。所以, 在现代无线通信系统,卫星导航与干扰等众多领域中越来越广泛地采用圆极化天线。
F-P谐振腔天线作为一种高增益天线，在其表面加载超材料来减缩RCS成为一种重要的方法。2017年，Kun li,Ying Liu等人在《IEEE Transactions on Antennas andPropagation》期刊第65卷第8期上发表了一篇名为“A Circularly Polarizaed High-GainAntenna With Low RCS Over a Wideband Using Chessborad Polarization ConversionMetasurface”的论文，公开了一种高增益低RCS圆极化天线，该天线由四个F-P谐振腔天线单元中心旋转组成阵列构成，每个F-P谐振腔天线包括上层极化转换表面和下层的槽天线，极化转换表面单元采用一种三明治结构，通过该极化转换表面可以将线极化波转化为圆极化波，极化转换表面和下层槽天线之间的空气腔构成一个F-P谐振腔来提高天线的增益，为了实现RCS减缩，将四个F-P谐振腔天线单元中心旋转组成阵列使上层的极化转换表面实现棋盘型结构从而实现RCS的减缩，该天线相比于馈源槽天线阵列，其RCS在宽频带 6～14GHz相对带宽为80％的范围内有明显减缩，但是该天线馈电结构复杂，且必须通过组成阵列的方式才能够实现RCS的减缩，增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种高增益低RCS圆极化F-P谐振腔天线，通过上介质板表面上印制的吸波表面和部分反射面，同时实现天线的高增益、低RCS和圆极化特性，旨在简化天线的结构，同时降低天线的制造成本。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，包括上介质板1和下介质板2。
所述上介质板1，其上表面印制有吸波表面11，下表面印制有部分反射表面 12；所述吸波表面11，包括N×N个周期性排列的吸波单元111，该吸波单元111 采用四边设置有缺口的环状贴片结构，每个缺口上加载有电阻；所述部分反射表面12，包括N×N个周期性排列的部分反射表面单元121，该部分反射表面单元 121，采用中心设置有长短不一的十字型槽和四个边设置有矩形槽的方形贴片结构，N≥6；
所述下介质板2，其上表面印制有矩形金属贴片22，下表面印制有地板23，所述矩形金属贴片22与地板23之间通过同轴线3相连，构成天线的馈源，所述下介质板2上表面的矩形金属贴片22周围，印制有由多个条带型金属贴片211 周期性排列组成的面阵构成的高阻抗表面21。
上述高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，所述吸波单元111，其环状贴片结构为方形环贴片，方形环四边上设置的缺口为矩形，各缺口位于所在边的中心位置，所述方形环贴片的边长为L，环宽为W1，矩形缺口的尺寸为W1×W2，所述电阻的阻抗为R，其中，7mm≤L≤9mm，0.5mm≤W1≤1.5mm， 0.5mm≤W2≤1.5mm，50Ω≤R≤200Ω。
上述高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，所述部分反射表面单元121，其中心垂线与吸波单元111的中心垂线重合。
上述高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，所述部分反射表面单元121，其中心设置的十字型槽长槽的尺寸为Sx×Ws，短槽的尺寸为长为Sy×Ws，该部分反射表面单元121四边上设置的矩形槽，包括一对矩形长槽和一对矩形短槽，其中矩形长槽的长边与十字型槽短槽的长边平行，矩形短槽的长边与十字型槽长槽的长边平行，矩形长槽尺寸为dy×Wd，矩形短槽尺寸为dx×Wd，其中， 7mm≤Sx≤9mm，5mm≤Sy≤7mm，0.2mm≤Ws≤0.4mm，6mm≤dy≤11mm， 5mm≤dx≤10mm，0.05mm≤Wd≤0.2mm。
上述高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，所述高阻抗表面21，其中的条带型金属贴片211的尺寸为bx×by，长边与部分反射表面单元121上十字型槽的长槽长边平行，且与矩形金属贴片22的长边呈45°夹角，相邻条带型金属贴片211之间的长边方向间距为ax，短边方向间距为ay，其中，5mm≤bx≤8mm，1mm≤by≤2mm，11mm≤ax≤13mm，2mm≤ay≤4mm。
上述高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，所述上介质板1，其下表面与下介质板2上表面之间的距离为H，11mm≤H≤13mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明中的通过部分反射面单元中长短不一的十字型槽，使电磁波的两正交极化分量X极化和Y极化具有不同的传输特性，上介质板表面上印制的吸波表面和部分反射面在工作频带内构成了一个极化转换器，使馈源贴片天线辐射的线极化波通过该极化转器后转换为圆极化波，相比现有技术中采用中心旋转的圆极化槽天线阵列作为馈源，简化了馈源天线设计。
2、本发明中的吸波单元采用方形环加载电阻的结构，通过电阻将电磁波能量转化为热能，实现了106％相对带宽内的RCS减缩，相比现有技术中通过将上层极化转换表面中心旋转形成棋盘型结构来实现80％相对带宽内RCS减缩，增加了RCS减缩带宽的同时简化了天线的结构和减小了制造成本。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明吸波单元的结构示意图；
图3是本发明部分反射表面单元的结构示意图；
图4是本发明高阻抗表面单元的结构示意图；
图5是本发明反射系数幅度的仿真曲线图；
图6是本发明的轴比仿真曲线图；
图7是本发明和贴片天线的增益随频率变化的曲线对比图；
图8是本发明在10.7GHz处的增益随角度theta变化的曲线；
图9是本发明和贴片天线在X极化入射波下单站RCS随频率变化的曲线对比图；
图10是本发明和贴片天线在Y极化入射波下单站RCS随频率变化的曲线对比图。
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
参照图1，本发明，包括上介质板1和下介质板2，所述上介质板1，其上表面印制有吸波表面11，下表面印制有部分反射表面12；所述吸波表面11，采用6×6个吸波单元111周期性排列的结构，该吸波单元111采用四边中间处设置有矩形缺口的方形环结构，每个缺口上加载有电阻，将电磁波能量转化为热能，从而达到RCS减缩；所述部分反射表面12，采用6×6个部分反射表面单元121 周期性排列的结构，该部分反射表面单元121，采用中心设置有长短不一的十字型槽和四个边设置有矩形槽的方形贴片结构，由于其十字型槽的长短不一，使上介质版1上的吸波表面和部分反射表面整体实现极化转换功能，电磁波透过上介质版1上的吸波表面和部分反射表面两个正交极化分量X极化和Y极化之间传输相位相差90°，以此来实现线极化向圆极化的转换。
所述下介质板2，其上表面中心印制有矩形金属贴片22，下表面印制有地板 23，所述矩形金属贴片22与地板23之间通过同轴线3相连，构成一个贴片天线作为天线的馈源，矩形金属贴片22与条带型金属贴片211的长边呈45°夹角来保证辐射的电磁波的两个正交极化分量X极化和Y极化的幅度相等；所述下介质板2上表面的矩形金属贴片22周围，印制有由多个条带型金属贴片211周期性排列组成的面阵构成的高阻抗表面21，条带型金属帖片211的长边与部分反射表面单元121上十字型槽的长槽长边平行，通过高阻抗表面21，来补偿由部分反射表面引起的电磁波两个正交极化的反射相位差，使得上介质板1和下介质板2之间的空气腔构成一个F-P谐振腔，使电磁波在腔体内不断反射，最终将馈源的辐射波同向叠加到一个方向上来提高贴片天线的增益。
所述上介质板1采用的边长为72mm，相对介电常数为4.4的方形板材，厚度为3.5mm；下介质板2的厚度为1mm，相对介电常数为2.65，上介质板1下表面和下介质板2上表面之间的距离H＝12.2mm。
参照图2，吸波单元111上的方形金属环的边长为L＝8mm，环宽W1＝1mm，矩形缺口的尺寸为W1×W2＝1mm×1mm，电阻阻抗R＝130Ω，两个吸波单元111 之间的间距为P＝12mm。
参照图3，部分反射表面单元121中十字型槽的长槽长为Sx＝7.8mm，短槽的长为Sy＝6.2mm，槽宽都为Ws＝0.3mm，矩形长槽的长为dy＝7.6mm，矩形短槽的长为dx＝6.6mm，其槽宽都为Wd＝0.1mm。
参照图4，条带型金属帖片211的长为bx＝6.2mm，宽为by＝1.4mm，相邻条带型金属贴片211之间的长边方向间距为ax＝12mm，短边方向间距为ay＝3mm。
本发明的上介质板1上的吸波表面11和部分反射表面12整体构成了一个极化转换器，能够将从馈源辐射的两个正交极化分量X极化和Y极化的电磁波产生90°的相位差，从而实现线极化到圆极化的转换，吸波表面11由于加载电阻能够将电磁波能量转化为热能，实现宽带RCS减缩，上介质板1和下介质板2 之间的空气腔为F-P谐振腔，电磁波在谐振腔中多次反射提高增益，高阻抗表面 21用于补偿由部分反射表面引起的电磁波两个正交极化X极化和Y极化的反射相位差。
实施例2：
本实例结构与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：
上介质板1下表面和下介质板2上表面之间的距离H＝11mm，吸波单元111 方形环的长为L＝7mm，环宽W1＝0.5mm，矩形缺口的尺寸为 W1×W2＝0.5mm×1.5mm，电阻阻抗R＝50Ω，部分反射表面单元12的十字型槽长槽的长为Sx＝7mm，短槽的长为Sy＝5mm，槽宽为Ws＝0.2mm，部分反射表面单元12四个边设置的矩形槽包括一对矩形长槽和一对矩形短槽，矩形长槽的长为dy＝6mm，矩形短槽的长为dx＝5mm，槽宽为Wd＝0.05mm，条带型金属贴片 211的长为bx＝5mm，宽为by＝1mm，相邻条带型金属贴片211之间的长边间距为ax＝11mm，短边间距为ay＝2mm。
实施例3
本实例结构与实施例1的结构相同，仅对如下参数作了调整：
上介质板下表面和下介质板上表面之间的距离H＝13mm，吸波单元111方形环的长为L＝9mm，环宽W1＝1.5mm，矩形缺口的尺寸为 W1×W2＝1.5mm×0.5mm，电阻阻抗R＝200Ω，部分反射表面单元12的十字型槽长槽的长为Sx＝9mm，短槽的长为Sy＝7mm，槽宽为Ws＝0.4mm，部分反射表面单元12四个边设置的矩形槽包括一对矩形长槽和一对矩形短槽，矩形长槽的长为dy＝11mm，矩形短槽的长为dx＝10mm，槽宽为Wd＝0.2mm，条带型金属贴片 211的长为bx＝8mm，宽为by＝2mm，相邻条带型金属贴片211之间的长边间距为ax＝13mm，短边间距为ay＝4mm。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
仿真1，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明天线的反射系数进行仿真计算，结果如图5所示。
从图5可以看出，在10.5-10.78GHz内，本发明天线的的反射系数幅度小于 -10dB，说明在此频段内有较好的阻抗匹配。
仿真2，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明天线轴比仿真计算，结果如图6所示。
从图6可以看出，本发明天线在10.65-10.74GHz频带内轴比小于3dB，说明本发明天线在10.65-10.74GHz频带内辐射的波为圆极化波。
仿真3，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明天线和贴片天线的增益随频率的变化进行仿真计算，结果如图7所示。
从图7可以看出，本发明天线的增益与贴片天线相比有3dB以上的提升。
仿真4，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明天线的左旋圆极化和右旋圆极化的增益随角度theta变化进行仿真计算，结果如图8所示。
从图8可以看出，左旋圆极化为主极化，本发明天线的交叉极化辨识度在最大辐射方向上有30dB以上。
仿真5，利用商业仿真软件HFSS_15.0对X极化入射波下的贴片天线和本发明天线随频率变化的单站RCS进行仿真计算，结果如图9所示。
从图9可以看出，本发明天线与贴片天线相比在4-13GHz内实现了RCS减缩，且在10.9GHz时RCS减缩达到最大，即达到了14.9dBm，RCS减缩量在天线工作频带减小，保证了天线的正常辐射，并仍然有4dBm的减缩量
仿真6，利用商业仿真软件HFSS_15.0对Y极化入射波下的贴片天线和本发明天线随频率变化的单站RCS进行仿真计算，结果如图10所示。
从图10可以看出，本发明天线与贴片天线相比在4-13GHz内实现了RCS 减缩，且在10.9GHz时RCS减缩达到最大，即达到了27.6dBm，RCS减缩量在天线工作频带减小，保证了天线的正常辐射，并仍然有4dBm的减缩量。
以上仿真结果说明，与现有技术相比，本发明天线通过上介质板的吸波表面和部分反射表面同时实现高增益、低RCS和圆极化三个功能，简化了天线结构，增加了RCS减缩的带宽，改善了现有技术的不足。
仅是本发明的三个实施例，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 (6)

1.一种高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，包括上介质板(1)和下介质板(2)，其特征在于：
所述上介质板(1)，其上表面印制有吸波表面(11)，下表面印制有部分反射表面(12)；所述吸波表面(11)，包括N×N个周期性排列的吸波单元(111)，该吸波单元(111)采用四边设置有缺口的环状贴片结构，每个缺口上加载有电阻；所述部分反射表面(12)，包括N×N个周期性排列的部分反射表面单元(121)，该部分反射表面单元(121)，采用中心设置有长短不一的十字型槽和四个边设置有矩形槽的方形贴片结构，N≥6；
所述下介质板(2)，其上表面印制有矩形金属贴片(22)，下表面印制有地板(23)，所述矩形金属贴片(22)与地板(23)之间通过同轴线(3)相连，构成天线的馈源，所述下介质板(2)上表面的矩形金属贴片(22)周围，印制有由多个条带型金属贴片(211)周期性排列组成的面阵构成的高阻抗表面(21)。
2.根据权利要求1所述的高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，其特征在于，所述吸波单元(111)，其环状贴片结构为方形环贴片，方形环四边上设置的缺口为矩形，各缺口位于所在边的中心位置，所述方形环贴片的边长为L，环宽为W1，矩形缺口的尺寸为W1×W2，所述电阻的阻抗为R，其中，7mm≤L≤9mm，0.5mm≤W1≤1.5mm，0.5mm≤W2≤1.5mm，50Ω≤R≤200Ω。
3.根据权利要求1所述的高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，其特征在于，所述部分反射表面单元(121)，其中心垂线与吸波单元(111)的中心垂线重合。
4.根据权利要求1所述的高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，其特征在于，所述部分反射表面单元(121)，其中心设置的十字型槽长槽的尺寸为Sx×Ws，短槽的尺寸为长为Sy×Ws，该部分反射表面单元(121)四边上设置的矩形槽，包括一对矩形长槽和一对矩形短槽，其中矩形长槽的长边与十字型槽短槽的长边平行，矩形短槽的长边与十字型槽长槽的长边平行，矩形长槽尺寸为dy×Wd，矩形短槽尺寸为dx×Wd，其中，7mm≤Sx≤9mm，5mm≤Sy≤7mm，0.2mm≤Ws≤0.4mm，6mm≤dy≤11mm，5mm≤dx≤10mm，0.05mm≤Wd≤0.2mm。
5.根据权利要求1所述的高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，其特征在于，所述高阻抗表面(21)，其中的条带型金属贴片(211)的尺寸为bx×by，长边与部分反射表面单元(121)上十字型槽的长槽长边平行，且与矩形金属贴片(22)的长边呈45°夹角，相邻条带型金属贴片(211)之间的长边方向间距为ax，短边方向间距为ay，其中，5mm≤bx≤8mm，1mm≤by≤2mm，11mm≤ax≤13mm，2mm≤ay≤4mm。
6.根据权利要求1所述的高增益低RCS的圆极化F-P谐振腔天线，其特征在于，所述上介质板(1)，其下表面与下介质板(2)上表面之间的距离为H，11mm≤H≤13mm。
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