CN108963438A - 基于极化转换的低雷达截面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，包括极化转换超表面和印制在所述极化转换超表面下表面的第一介质板，印制在第一介质板下表面的金属地板；该金属地板下表面设置有第二介质板和第二介质板下表面的馈电网络，所述极化转换超表面由四个正方形极化转换单元组和周期性排列的N个极化转换单元组成，该极化转换超表面单元由一对相同结构的位于极化转换单元边缘处“L”形金属贴片和位于极化转换单元中心的“T”形金属贴片构成，“T”形金属贴片的端部与其相对的端部之间相互平行，且与两个“L”形金属贴片的直角处相连接。本发明实现了宽带内的高极化转换率，解决了现有技术中雷达截面减缩带宽窄的技术问题。

Description

基于极化转换的低雷达截面阵列天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，利用极化转换超表面结构，通过控制反射波幅度和相位特性降低天线的雷达截面，可应用于对辐射特性和散射特性均有要求的雷达系统。

背景技术

在现今的通信领域中，天线作为信号发射和接收的装置，是整个通信系统中重要的组成部分。随着无线技术的发展，雷达天线所处的电磁环境也越来越复杂，作为通信设备，其雷达截面是目标整体雷达截面的重要贡献源。天线的散射通常通过雷达截面来定量表征，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。因此，现今的雷达系统通常要求天线在具有良好辐射特性的同时，拥有低雷达截面特性。

偶极子天线是一种最基本的线极化天线形式，即可独立使用，也可作为天线阵列的辐射单元。偶极子天线具有体积小、重量轻、制造成本低、易于大规模集成等特点。阵列天线是由不少于两个天线单元排列并通过适当激励，获得预定辐射特性的天线。根据天线馈电电流、间距、电长度等不同参数构成阵列，以获得所需要的辐射特性，在波束控制、频率扫描、相位控制等方向有广泛应用。然而，偶极子天线往往存在频带较窄、增益较低等问题。

如西安电子科技大学提出了一种名称为“基于极化转换的低雷达截面微带贴片天线”的专利申请(申请号为201510112415.2，授权公告号CN 104701613 B)，该专利申请公开了一种基于极化转换的低雷达截面微带贴片天线。该结构设有包括辐射单元、介质板、金属地板、同轴接头和极化转换表面；介质板的上表面印制辐射单元和极化转换表面，其下表面印制金属地板，极化转换表面由四个极化转换单元组构成，中间具有正方形区域；每个极化转换单元组包含若干个对称轴上留有正方形缺口的极化转换单元，每个极化转换单元组中的极化转换单元的正方形缺口指向相同；该现有微带天线只有在4.2GHz、6.75GHz、9GHz和12GHz这四个频点附近频带内减缩雷达截面，相对带宽窄。

如西安电子科技大学提出了一种名称为“一种超宽带低雷达截面的微带天线”的申请的专利(申请号为201710727439.8，申请公布号CN107579346A)，该申请专利公开了一种超宽带低雷达截面的微带天线，包括辐射单元、介质板、金属地板、同轴接头和极化转换表面；介质板的上表面印制辐射单元和极化转换表面，其下表面印制金属地板，极化转换表面由四个极化转换单元组构成，中间具有正方形区域；每个极化转换单元组包含若干个递减分形单元，相邻极化转换单元组中的递减分形单元的排列方向相差90°，该现有微带天线在10.45GHz-34.15GHz频带(相对带宽101.9％)的工作频段内实现了80％以上的交叉极化反射系数，但是该现有天线存在极化转换率不高的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，用于解决现有技术中超表面极化转换率不高，以及减缩雷达截面相对带宽窄的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

1、一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，包括极化转换超表面和印制在所述极化转换超表面下表面的第一介质板，印制在第一介质板下表面的金属地板；该金属地板下表面设置有第二介质板和第二介质板下表面的馈电网络，所述极化转换超表面由四个正方形极化转换单元组和周期性排列的N个极化转换单元组成，其中，N≥4，N为正整数，该四个正方形极化转换超表面单元组的上表面设置有与馈电网络连接的偶极子，其特征在于，所述极化转换超表面单元的上表面印制有一对相同结构的“L”形金属贴片和一对相同结构的“T”形金属贴片，所述“L”形金属贴片位于每个极化转换单元的边缘处，所述“T”形金属贴片位于每个极化转换单元的中心，其中，“T”形金属贴片的一个端部与其相对的另一个端部之间相互平行，另一个端部分别与两个“L”形金属贴片两边相交的直角处相连接，用以实现阵列天线在宽带内的低雷达截面特性。

所述“L”型金属贴片和“T”型金属贴片，关于极化转换超表面单元的Z轴180°旋转对称分布。

所述四个极化转换单元组，关于所述极化转换超表面的Z轴90°旋转对称分布。

2、根据权利要求1所述的一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，其特征在于：所述极化转换表面单元，“L”型金属贴片边长为L2＝4.2mm～4.6mm，“T”型金属贴片一端边长为L3＝0.9mm～1.1mm，两个“T”型金属贴片端部之间距离为D＝1.1mm。

3、根据权利要求1所述的一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，其特征在于：所述极化转换超表面与金属地板的高度尺寸为H＝1.9mm～2.3mm。

4、根据权利要求1所述的一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，其特征在于：所述偶极子设置在正方形极化转换单元组的中心，且相互垂直对称分布。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于在极化转换超表面单元上，采用一对相同结构的“L”形金属贴片和一对相同结构的“T”形金属贴片，由于“L”形金属贴片和“T”形金属贴片的组合结构，能够有效地将一种线极化波转换为其交叉极化波，克服了现有技术中极化转换率不高的问题，在11.52GHz-34.53GHz的频段内(相对带宽100％)实现了90％以上的极化转换率。

2、本发明由于采用了周期性排列设置有N个极化转换超表面单元的极化转换单元组，通过调节极化转换单元和金属地板之间的高度，使得极化转换单元组和辐射单元具有相同的反射相位，克服了现有技术中仅限于降低天线雷达截面的性能要求，实现了天线的低剖面特性。

附图说明

图1是本发明天线的整体结构图；

图2是本发明的俯视结构图；

图3是本发明极化转换单元的结构图；

图4是本发明的剖面结构图；

图5本发明的共极化和交叉极化的反射系数的仿真结果图；

图6本发明的极化转换率的仿真结果图；

图7本发明的|S11|曲线仿真结果图；

图8本发明在xoz面和yoz面的辐射方向图；

图9本发明分别在x极化和y极化电磁波照射下的雷达截面仿真结果图。

具体实施方式

以下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、图2

一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，包括极化转换超表面1和印制在所述极化转换超表面1下表面的第一介质板2，印制在第一介质板2下表面的金属地板3；该金属地板3下表面设置有第二介质板4和第二介质板4下表面的馈电网络5，所述极化转换超表面1由四个正方形极化转换单元组11和周期性排列的N个极化转换单元111组成，其中，N≥4，N为正整数，该四个正方形极化转换超表面单元组11的上表面设置有与馈电网络连接的偶极子6，其特征在于，所述极化转换超表面单元111的上表面印制有一对相同结构的“L”形金属贴片1111和一对相同结构的“T”形金属贴片111，所述“L”形金属贴片1111位于每个极化转换单元111的边缘处，所述“T”形金属贴片1112位于每个极化转换单元111的中心，其中，“T”形金属贴片1112的一个端部与其相对的另一个端部之间相互平行，另一个端部分别与两个“L”形金属贴片1111两边相交的直角处相连接，用以实现阵列天线在宽带内的低雷达截面特性。

所述“L”型金属贴片1111和“T”型金属贴片1112，关于极化转换超表面单元111的Z轴180°旋转对称分布。

所述四个极化转换单元组11，关于所述极化转换超表面1的Z轴90°旋转对称分布。

所述极化转换超表面1，其包含的四个极化转换单元组11的反射波等幅反相，相邻极化转换单元组11之间形成反射波相互抵消，从而形成雷达截面减缩的效果；所述第一介质板2和第二介质板4，采用正方形结构，边长为L＝78mm，介电常数为2.2；所述偶极子6，其中间开有弯折线缝隙，左右两边各有一个金属柱，其中一个连接金属地板3，另一个连接馈电网络5；所述金属地板3在四个偶极子连接馈电网络的金属柱对应的地方开有四个孔；所述馈电网络5，其四个端口幅度相等，相位依次相差90°，因此四个辐射单元产生左旋圆极化波。

参照图3

所述极化转换表面单元111，极化转换单元介质板边长L1＝6.5mm，“L”型金属贴片1111边长为L2＝4.4mm，“T”型金属贴片1112一端边长为L3＝1mm，两个“T”型金属贴片1112端部之间距离为D＝1.1mm，金属贴片宽度均为W＝0.2mm，“L”型金属贴片到介质板边缘的距离为G＝0.9mm。

所述极化转换超表面单元111，其“L”型金属贴片的两个长边在低频处产生谐振点，“T”型金属贴片的两个短边在高频处产生谐振点，通过对边长尺寸的优化，使四个谐振点相互叠加，从而实现整个结构在宽频内良好的极化转换特性。

参照图4

所述极化转换超表面1与金属地板3的高度尺寸为H＝2.1mm。

所述偶极子设置在正方形极化转换单元组11的中心，且相互垂直对称分布。

通过对极化转换超表面1与金属地板3的高度H尺寸的优化，使得极化转换超表面1在天线工作频率处有相同的反射相位，与现有技术中偶极子与金属地板之间间隔四分之一波长的距离相比，偶极子的剖面得到了降低。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对部分参数做了调整：

极化转换单元111的“L”型金属贴片1111边长为L2＝4.2mm，“T”型金属贴片1112一端边长为L3＝0.8mm,极化转换超表面1与金属地板3的高度尺寸为H＝1.9mm。

实施例3：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对部分参数做了调整：

极化转换单元111的“L”型金属贴片1111边长为L2＝4.6mm，“T”型金属贴片1112一端边长为L3＝1.2mm,极化转换超表面1与金属地板3的高度尺寸为H＝2.3mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1中极化转换单元的反射系数在5GHz-35GHz范围内进行仿真计算，结果如图5所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1中极化转换单元的极化转换率在5GHz-35GHz范围内进行仿真计算，结果如图6所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1中天线整体的|S11|在11.25GHz到12.25GHz频带内进行仿真计算，结果如图7所示。

1.4利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1的远场辐射方向图在11.9GHz处进行仿真设计，结果如图8所示，其中：图8(a)为实施例1本发明天线在xoz面的左旋圆极化辐射方向图，图8(b)为实施例1本发明天线在yoz面的左旋圆极化辐射方向图。

1.5利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1在电磁波垂直照射情况下的单站雷达截面进行仿真计算，入射电磁波的频率从10GHz到36GHz变化。结果如图9所示，其中：图9(a)为实施例1本发明天线与以金属板替换极化转换超表面的参考天线在x极化电磁波垂直照射下，随频率变化的单站雷达截面的对比图；其中图9(b)为实施例1本发明天线与参考天线在y极化电磁波垂直照射下，随频率变化的单站雷达截面的对比图。

2、仿真结果分析：

参见图5，本发明天线中极化转换单元在11.52GHz到34.53GHz内，共极化反射幅度小于-10dB,由于其整体结构是沿对角线对称的，因此对于y极化和x极化入射电磁波的转换特性一样。

参照图6，本发明天线中极化转换单元在11.52GHz到34.53GHz内(相对带宽为100％),极化转换率在90％以上。

参考图7,本发明天线在|S11|小于-10dB的条件下,具有11.25GHz到12.7GHz的工作频带，这说明本发明天线具有良好的阻抗匹配特性。

参考图8(a)和图8(b),本发明天线在11.9GHz频点处，在xoy面和yoz面都有很好的左旋圆极化特性，并且本发明天线的最大辐射方向始终垂直于金属地板表面，最大增益为7.55dB。

参照图9(a)和图9(b)，当x极化和y极化的平面波垂直照射到天线表面时，本发明天线相比以金属板替换极化转换超表面的参考天线在11.3GHz到31.75GHz频带(相对带宽95％)内雷达截面减缩量都超过5dB，这说明本发明天线在宽频带内实现低雷达截面特性，与现有技术中的天线相比，在雷达截面减缩量相等的情况下，相对带宽更宽。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，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设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上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 (4)

1.一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，包括极化转换超表面(1)和印制在所述极化转换超表面(1)下表面的第一介质板(2)，印制在第一介质板(2)下表面的金属地板(3)；该金属地板(3)下表面设置有第二介质板(4)和第二介质板(4)下表面的馈电网络(5)，所述极化转换超表面(1)由四个正方形极化转换单元组(11)和周期性排列的N个极化转换单元(111)组成，其中，N≥4，N为正整数，该四个正方形极化转换超表面单元组(11)的上表面设置有与馈电网络连接的偶极子(6)，其特征在于，所述极化转换超表面单元(111)的上表面印制有一对相同结构的“L”形金属贴片(1111)和一对相同结构的“T”形金属贴片(1112)，所述“L”形金属贴片(1111)位于每个极化转换单元(111)的边缘处，所述“T”形金属贴片(1112)位于每个极化转换单元(111)的中心，其中，“T”形金属贴片(1112)的一个端部与其相对的另一个端部之间相互平行，另一个端部分别与两个“L”形金属贴片(1111)两边相交的直角处相连接，用以实现阵列天线在宽带内的低雷达截面特性。

所述“L”型金属贴片(1111)和“T”型金属贴片(1112)，关于极化转换超表面单元(111)的Z轴180°旋转对称分布。

所述四个极化转换单元组(11)，关于所述极化转换超表面(1)的Z轴90°旋转对称分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，其特征在于：所述极化转换表面单元(111)，“L”型金属贴片(1111)边长为L2＝4.2mm～4.6mm，“T”型金属贴片(1112)一端边长为L3＝0.9mm～1.1mm，两个“T”型金属贴片(1112)端部之间距离为D＝1.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，其特征在于：所述极化转换超表面(1)与金属地板(3)的高度尺寸为H＝1.9mm～2.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于极化转换的低雷达截面阵列天线，其特征在于：所述偶极子(6)设置在正方形极化转换单元组(11)的中心，且相互垂直对称分布。