CN109193171B - 一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，包括Van Atta极化旋转阵列、同轴接头、上下层叠的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面设有辐射单元，所述辐射单元的几何中心与第一介质基板的几何中心重合，Van Atta极化旋转阵列将辐射单元包围，第二介质基板的几何中心为空心。双极化Van Atta极化旋转子阵列，按中心对称排布在辐射单元周围，使反射得到的电磁波两两极化相反，形成散射相消，实现低雷达散射特性。通过调整正方形区域的大小，消除了由于引入双极化方阵对天线辐射特性产生的影响，在保证了天线正常辐射的前提下，最终在工作频带内降低了雷达散射截面。

Description

一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线。
背景技术
在现如今的通信系统中，天线作为核心部分，辐射特性和散射特性是衡量天线性能优良的主要指标。雷达散射截面(RCS)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，是散射特性中最基本的参数。实现天线低雷达截面特征，并且保证其本身的辐射特性不受到明显的影响，是天线雷达截面减缩领域中最大的难题。
微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用蚀刻一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线，因具有体积小、重量轻、制造工艺简单、易共形等优点，而被广泛地应用。
实现微带天线低雷达散射截面特性的手段主要有加载雷达吸波材料技术、外形技术以及有源或无源对消技术，其中前两种是最为有效和最常用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，实现微带天线的低雷达散射截面特性。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，包括Van Atta极化旋转阵列、同轴接头、上下层叠的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的上表面设有辐射单元，所述辐射单元的几何中心与第一介质基板的几何中心重合，所述Van Atta极化旋转阵列将辐射单元包围，所述第二介质基板的几何中心为空心；
所述Van Atta极化旋转阵列由(2n+1)2-1个Van Atta极化旋转子阵列组成，n为包围辐射单元的Van Atta极化旋转子阵列圈数，n为正整数；所述 Van Atta极化旋转子阵列为方阵且包括四个阵元和设于第二介质基板下表面的四条微带连接线；
每个阵元包括设于第一介质基板上表现的金属贴片、设于第一介质基板下表面的金属地板、设于金属地板上的缝隙、设于第二介质基板下表面的微带馈线，每个阵元设有两个相互垂直的微带馈线，每条微带连接线连接一条对角线上两个阵元的微带馈线，各微带连接线不交叉，所述金属贴片和缝隙与微带馈线位置上下对应，所述同轴接头的内芯连接辐射单元，所述同轴接头的外芯连接金属地板。
所述Van Atta极化旋转阵列由八个Van Atta极化旋转子阵列组成，八个Van Atta极化旋转子阵列沿第一介质基板的几何中心对称设置，中间围成一正方形区域。
所述辐射单元为圆形，直径为d，0.5×λε≤d≤0.6×λε，其中，λε为中心工作频率对应的介质波长。
所述金属贴片为长度为Lp、宽度为Wp的矩形贴片，0.35×λε≤Lp≤0.5×λε， 0.35×λε≤Wp≤0.5×λε，其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
所述四条微带连接线包括两条第一微带连接线和两条第二微带连接线，所述第一微带连接线和第二微带连接线电长度相差1/2波长。
所述缝隙为H型、矩形或骨形。
所述微带馈线为T型或矩形。
所述正方形区域的边长为K，0.9×λ0≤K≤1.4×λ0，与Van Atta极化旋转子阵列的边长相等，其中λ0为中心工作频率对应的介质波长。
本发明的有益效果是：
双极化Van Atta极化旋转子阵列，按中心对称排布在辐射单元周围，使得双极化Van Atta极化旋转子阵列反射得到的电磁波两两极化相反，形成散射相消，实现低雷达散射特性。
通过调整八个Van Atta极化旋转子阵列中间形成了正方形区域的大小，消除了由于引入双极化方阵对天线辐射特性产生的影响，在保证了天线正常辐射的前提下，最终在工作频带内降低了雷达散射截面。
下面将结合附图做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明的一种实施方式示意图；
图2是Van Atta极化旋转子阵列俯视示意图；
图3是图1的俯视图；
图4是阵元的示意图；
图5是微带天线的结构示意图；
图6为本发明与参考微带天线的S参数对比曲线图；
图7为本发明与参考微带天线的方向图对比曲线图；
图8为本发明与参考微带天线单站RCS随频率变化对比曲线图。
图中：1、辐射单元；2、金属地板；3、同轴接头；4、第一介质基板； 5、第二介质基板；6、Van Atta极化旋转阵列；61-68、Van Atta极化旋转子阵列；611-614、阵元；6111、金属贴片；7、正方形区域；8、微带连接线；81、第一微带连接线；82、第二微带连接线；9、缝隙；10、微带馈线； 101A-104A、水平端口；101B-104B、垂直端口。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供了一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，包括VanAtta极化旋转阵列6、同轴接头3、上下层叠的第一介质基板4和第二介质基板5，所述第一介质基板4的上表面设有辐射单元1，所述辐射单元1的几何中心与第一介质基板4的几何中心重合，所述Van Atta极化旋转阵列6将辐射单元1包围，所述第二介质基板5的几何中心为空心；
所述Van Atta极化旋转阵列6由(2n+1)2-1个Van Atta极化旋转子阵列组成，n为包围辐射单元1的Van Atta极化旋转子阵列圈数，n为正整数；所述Van Atta极化旋转子阵列为方阵且包括四个阵元和设于第二介质基板5 下表面的四条微带连接线8，
每个阵元包括设于第一介质基板4上表现的金属贴片6111、设于第一介质基板4下表面的金属地板2、设于金属地板2上的缝隙9、设于第二介质基板5下表面的微带馈线10，每个阵元设有两个相互垂直的微带馈线10，每条微带连接线8连接一条对角线上两个阵元的微带馈线10，各微带连接线8不交叉，所述金属贴片6111和缝隙9与微带馈线10位置上下对应，所述同轴接头3的内芯连接辐射单元1，所述同轴接头3的外芯连接金属地板2。
本发明采用双极化Van Atta极化旋转子阵列，按中心对称排布在辐射单元1周围，使得双极化Van Atta极化旋转子阵列反射得到的电磁波两两极化相反，形成散射相消，实现低雷达散射特性。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，所述Van Atta极化旋转阵列6由八个Van Atta极化旋转子阵列组成，八个Van Atta极化旋转子阵列沿第一介质基板4的几何中心对称设置，中间围成一正方形区域7。
如图1所示。本实施例提供的这种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS 微带天线，包括辐射单元1、金属地板2、同轴接头3、上下层叠的第一介质基板4和第二介质基板5，其中，第一介质基板4的厚度为1.5mm，介电常数εr＝2.2，其上下表面分别印制辐射单元1和金属地板2，第二介质基板 5上设置有同轴接头3馈线通过的方孔，其厚度为0.635mm，横截面尺寸与第一介质基板4相同，介电常数εr＝10.2，辐射单元1周围还设置有Van Atta 极化旋转阵列6，该极化旋转阵列由八个Van Atta极化旋转子阵列组成，其中八个Van Atta极化旋转子阵列61中间形成了正方形区域7。
参照图2，Van Atta极化旋转子阵列包括四个阵元。如图4所示，阵元包括设于第一介质基板4上表现的金属贴片6111、设于第一介质基板4下表面的金属地板2、设于金属地板2上的缝隙9、设于第二介质基板5下表面的微带连接线8和微带馈线10，金属贴片6111、缝隙9和微带馈线10 位置上下对应。所述缝隙9为H型、矩形或骨形。所述微带馈线10为T 型或矩形。
如图2所示，每条微带连接线8连接沿Van Atta极化旋转子阵列中心对称的两个阵元的两个相互正交的微带馈线10的端口，连接一条对角线上两个阵元的第一微带连接线81A和连接另一条对角线上两个阵元的第二微带连接线82A电长度相差1/2波长，其中位于一条对角线上的一条第一微带连接线81A连接阵元611的微带馈线10的水平端口101A和阵元的微带馈线10的垂直端口103B，与之呈中心对称的第一微带连接线81B连接阵元的微带馈线10的的垂直端口101B和阵元613微带馈线10的垂直端口 103A，位于另一条对角线上的另一条第二微带连接线82A连接阵元612的微带馈线10的水平端口102A和阵元614的微带馈线10的垂直端口104B，与之呈中心对称的第二微带连接线82B连接阵元612的微带馈线10的垂直端口102B和阵元614的微带馈线10的垂直端口104A。所有阵元均参与电磁波的收发，由阵元611接收的水平极化电磁波转由位于同一条对角线上的阵元613的垂直极化电磁波再辐射出去，由阵元612接收的水平极化电磁波转由位于同一条对角线上的阵元614的垂直极化电磁波再辐射出去，实现了收发电磁波极化旋转。
其中，在本实施例中，第一微带连接线81包括第一微带连接线81A和第一微带连接线81B，第二微带连接线82包括第二微带连接线82A和第二微带连接线82B。
如图3所示，辐射单元1的形状为圆形，直径为d：0.3×λε≤d≤0.8×λε，矩形金属贴片6111长度为Lp、宽度为Wp：0.2×λε≤Lp≤0.7×λε， 0.2×λε≤Wp≤0.7×λε，其中λε为中心工作频率对应的介质波长。正方形区域 7的边长K：0.9×λ0≤K≤1.4×λ0，与Van Atta极化旋转子阵列的边长相等，其中λ0为中心工作频率对应的介质波长。
在本实施例中，辐射单元1直径d＝11.36mm，金属贴片6111长Lp＝9.1mm，宽Wp＝9.1mm，八个Van Atta极化旋转子阵列中间形成了正方形区域7的边长为K＝37mm。
本发明原理：如图3所示，Van Atta极化旋转阵列6由八个Van Atta极化旋转子阵列组成，其中Van Atta极化旋转子阵列62由子阵列61水平平移Wr得到，子阵列63、65、67分别由子阵列61沿阵列中心旋转90°、180 °、270°得到，同样，子阵列64、66、68分别由子阵列62沿阵列中心旋转90°、180°、270°得到。其中子阵列61与子阵列63、子阵列62与子阵列64、子阵列65与子阵列67、子阵列66与子阵列68两两再辐射出的电磁波极化相反，相位反相，根据散射相消原理，有效减小了雷达散射截面，从而实现低雷达散射截面特性。
实施例3：
本实施例的结构与实施例2的结构相同，如下参数作了调整：
辐射单元1直径d＝10.53mm，金属贴片6111的长Lp＝7.35mm，宽 Wp＝7.35mm，八个Van Atta极化旋转子阵列中间形成了正方形区域7的边长为K＝28.1mm。
实施例4：
本实施例的结构与实施例2的结构相同，如下参数作了调整：
辐射单元1直径d＝12.64mm，金属贴片6111的长Lp＝10.5mm，宽 Wp＝10.5mm，八个Van Atta极化旋转子阵列中间形成了正方形区域7的边长为K＝43.7mm。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件及内容：
1.1参考图5，参考微带天线包括辐射单元1、第一介质基板4、金属地板2和同轴接头3，辐射单元1印制在第一介质基板4上表面的中心位置，金属地板2印制在第一介质基板4的下表面，同轴接头3内芯与辐射单元1 连接，外芯则与金属地板2连接。
1.2利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例2和参考微带天线的S参数进行仿真计算，实施例2与参考微带天线的S参数对比曲线图如图6所示。
1.3利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例2和参考微带天线的远场方向图进行仿真计算，实施例2与参考微带天线的E面方向图对比曲线图如图7(a)所示，实施例2与参考微带天线的H面方向图对比曲线图如图 7(b)所示。
1.4利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例2和参考微带天线在电磁波垂直照射下的单站RCS进行仿真计算，实施例2与参考微带天线在X极化电磁波垂直照射下，单站RCS随频率变化对比曲线图如图8(a)所示，实施例2与参考微带天线在Y极化电磁波垂直照射下，单站RCS随频率变化对比曲线图如图8(b)所示。
2、仿真结果：
参照图6，横坐标为频率，纵坐标为反射系数S11，以S11≤-10dB为标准，本实施例2的带宽为9.28-9.84GHz，与参考微带天线的S11基本重合，这说明本发明实施例2天线具有与参考微带贴片天线类似的阻抗带宽。
参照图7(a)和图7(b)，实施例2天线的最大辐射方向增益达8.5dBi，在最大辐射方向的增益相对于参考微带天线增加了1.5dBi，并且实施例2 天线与参考微带天线的远场辐射方向图基本重合，说明对比参考微带天线实施例2的辐射特性基本没变。
参照图8(a)和8(b)，当x极化和y极化的平面波垂直照射到天线表面时，对比参考微带天线，实施例2天线的雷达散射截面在9.08-10GHz 频带内减缩10dBsm以上，最大减缩量达33dBsm。雷达散射截面减缩带宽完全覆盖天线工作带宽，保证了天线在多极化情况下，实现了带内低雷达截面特性。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (7)

1.一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，其特征在于：包括Van Atta极化旋转阵列(6)、同轴接头(3)、上下层叠的第一介质基板(4)和第二介质基板(5)，所述第一介质基板(4)的上表面设有辐射单元(1)，所述辐射单元(1)的几何中心与第一介质基板(4)的几何中心重合，所述Van Atta极化旋转阵列(6)将辐射单元(1)包围，所述第二介质基板(5)的几何中心为空心；
所述Van Atta极化旋转阵列(6)由(2n+1)2-1个Van Atta极化旋转子阵列组成，n为包围辐射单元(1)的Van Atta极化旋转子阵列圈数，n为正整数；所述Van Atta极化旋转子阵列为方阵且包括四个阵元和设于第二介质基板(5)下表面的四条微带连接线(8)；
每个阵元包括设于第一介质基板(4)上表面的金属贴片(6111)、设于第一介质基板(4)下表面的金属地板(2)、设于金属地板(2)上的缝隙(9)、设于第二介质基板(5)下表面的微带馈线(10)，每个阵元设有两个相互垂直的微带馈线(10)，每条微带连接线(8)连接一条对角线上两个阵元的微带馈线(10)，各微带连接线(8)不交叉，所述金属贴片(6111)和缝隙(9)与微带馈线(10)位置上下对应，所述同轴接头(3)的内芯连接辐射单元(1)，所述同轴接头(3)的外芯连接金属地板(2)；
所述Van Atta极化旋转阵列(6)由八个Van Atta极化旋转子阵列组成，八个Van Atta极化旋转子阵列沿第一介质基板(4)的几何中心对称设置，中间围成一正方形区域(7)；
所述八个Van Atta极化旋转子阵列由相邻两个Van Atta极化旋转子阵列沿几何中心依次通过90°、180°和270°的顺时针旋转后排列组成，实现了两两Van Atta极化旋转子阵列再辐射出的电磁波极化相反，相位相反，极化相消；其中，相邻两个Van Atta极化旋转子阵中的一个Van Atta极化旋转子阵是通过另一个Van Atta极化旋转子阵水平平移Wr得到。
2.根据权利要求1所述的一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，其特征在于：所述辐射单元(1)为圆形，直径为d，0.5×λε≤d≤0.6×λε，其中，λε为中心工作频率对应的介质波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，其特征在于：所述金属贴片(6111)为长度为Lp、宽度为Wp的矩形贴片，0.35×λε≤Lp≤0.5×λε，0.35×λε≤Wp≤0.5×λε，其中λε为中心工作频率对应的介质波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，其特征在于：所述四条微带连接线(8)包括两条第一微带连接线(81)和两条第二微带连接线(82)，所述第一微带连接线(81)和第二微带连接线(82)电长度相差1/2波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，其特征在于：所述缝隙(9)为H型、矩形或骨形。
6.根据权利要求1所述的一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，其特征在于：所述微带馈线(10)为T型或矩形。
7.根据权利要求1所述的一种基于Van Atta阵列极化转换的低RCS微带天线，其特征在于：所述正方形区域(7)的边长为K，0.9×λ0≤K≤1.4×λ0，与Van Atta极化旋转子阵列的边长相等，其中λ0为中心工作频率对应的介质波长。
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Title
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