CN109560373A - 一种具有低rcs特性的反射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有低RCS特性的反射阵天线,所述反射阵天线由Vivaldi天线馈源与单层的反射阵列组成;所述的单层的反射阵列,由工作于Ku波段的反射阵天线单元与工作于X波段的反射阵天线单元联合嵌套组成。其中,所述的单层反射阵列由工作于Ku波段的单元与工作于X波段的单元联合嵌套组成。所述的单层反射阵列可在Ku波段有效降低背向RCS形成低RCS特性,在X波段可将Vivaldi馈源辐射的球面波转化为平面波,形成高增益辐射的效果。

Description

一种具有低RCS特性的反射阵天线
技术领域
本发明属于天线领域,尤其涉及一种具有低RCS特性的反射阵天线。
背景技术
经典的高增益天线主要有反射面天线与阵列天线,反射面天线由于曲面结构使得其加工难度大、剖面高、重量重、不方便携带,而阵列天线由于其平面结构则较好地避免了反射面天线的高剖面、曲面结构等缺点,但需要注意的是,阵列天线往往需要复杂的馈电网络,尤其是阵元数目较多时馈电网络的损耗大大限制了天线效率的提升。反射阵天线,则结合了阵列天线与反射面天线的优点,既具有平面结构,又不需要复杂的馈电网络,因此不仅具备了以上两种高增益天线优点,同时也较好地避免了他们的缺点。由此,反射阵天线一经提出就备受关注。而且经过多年的发展,各种具有优良特性的反射阵也被不断报道。
CN201410090071.5摘要:提出一种平面反射阵天线,包括:馈源;金属平面反射阵列,用于将馈源发出的电磁波散射成平面波,或者接收平面波并汇聚到馈源上;支撑杆,用于连接馈源和金属平面反射阵列,固定二者的相对位置,其中,金属平面反射阵列包括多行多列金属贴片单元,每个金属贴片单元具体包括:一个正方形的金属边框,其中,相邻的金属贴片单元之间共用金属边框;和四组相同的金属枝节组合,四组相同的金属枝节组合在金属贴片单元中呈中心对称分布,金属枝节组合与金属边框相连,其中,通过调节各个金属贴片单元中的金属枝节组合的形状和尺寸来实现相位调节,从而在金属平面反射阵列上形成一个等相位面。无需介质层对其进行支撑,具有成本低的优点。
CN201510563008.3涉及一种反射阵天线,所述反射阵天线包括:馈源角锥喇叭和反射面阵列;所述反射面阵列由多个天线单元以镜面对称的方式依次周期排列而成;所述天线单元包括微带贴片和底板,所述微带贴片位于底板之上;所述微带贴片进一步包含:嵌套放置的三个圆环,及两条相位延迟线;其中,所述三个圆环上分别设置两个相对于中心对称的缝隙;所述的两条相位延迟线成圆弧形,分别与位于微带贴片的外圆环上的微带短线相连,且与所述微带短线的连线与天线极化方向平行。现有技术未考虑后向RCS的问题。
Vivaldi天线是P.J.Gibson于1979年提出的一种端射槽渐变平面天线,槽线按照指数渐变规律向两边展开,因此该天线具有很宽的带宽。
需要注意的是,反射阵天线虽然结合了阵列天线与反射面天线,但此类高增益天线仍然无法避免的就是大口径,而大口径则无法避免较大的后向RCS。我们知道,随着现代攻击系统的隐身化发展,这种具有较大的后向RCS的天线是无法适应军事应用需求的,这也就严重制约了反射阵天线在军事领域的应用。因此,研制具有低RCS特性的反射阵天线就显得颇为必要。
发明内容
本发明的目的在于,提出一种低RCS(雷达反射截面)特性的反射阵天线及其设置的方法,来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是:一种具有低RCS特性的反射阵天线,所述反射阵天线由Vivaldi天线馈源与单层的反射阵列组成;
所述的单层反射阵列由工作于Ku波段的反射阵天线单元与工作于X波段的反射阵天线单元联合嵌套组成。通过为Ku波段的单元设置棋盘格式的相位分布来降低背向RCS,从而形成低RCS特性;通过为X波段的单元设置双曲面型相位分布来将球面波转化为平面波,从而形成高增益辐射的特性。
所述的Vivaldi天线馈源,采用微带线转槽线的结构,能够在X波段有效辐射球面波。
所述的工作于Ku波段的反射阵天线单元,为“I”型结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上。
所述的工作于X波段的反射阵天线单元,为十字型单元结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上。
所述的联合嵌套组成方法,十字型单元结构位于四个“I”型结构的中心位置。
所述的“I”型结构,通过为“I”型结构设计不同的旋转角来实现对Ku波段的交叉极化波1bit的相位调控;
所述的十字型单元结构,通过调节十字结构的臂长(调节范围6.5mm-10.5mm)来实现对X波段的主极化波2bit的相位调控。
具有低RCS特性的反射阵天线的设置方法,通过采用工作于Ku波段的反射阵天线单元与工作于X波段的反射阵天线单元相互嵌套的方法,来实现X波段高增益辐射,Ku波段大幅度降低背向RCS的效果。所述的工作于Ku波段的反射阵天线单元,为“I”型结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上。所述的工作于X波段的反射阵天线单元,为十字型单元结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上。
本发明的有益效果:设计的低RCS反射阵天线能够在8.6-10GHz频率范围内实现20dB以上的天线增益,且在中心频点9GHz出口径效率达到了53.4%。此外,在高频12.5-20.5GHz范围内实现了背向RCS至少减缩了10dB的效果。该型具有低RCS特性的反射阵天线为单层平面结构、易于加工、成本低,因此具有较好的应用前景。
附图说明
参照附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为反射阵天线的结构图,结构10为Vivaldi馈源,结构20为单层的反射阵列;
图2为结构20的顶视图,即为单层反射阵列的顶视图;
图3为X频段单元与Ku波段单元的嵌套视图,其中图3(a)为单元的自由视图,图3(b)为单元的顶视图。图3(a)中的十字型结构21为工作于X波段的十字型金属结构,22为工作于Ku波段的“I”型结构,23为介质基板,24为金属地板。需要注意的是,附图中为便于说明,结构23、24之间具有间隙,实际中并无间隙。
图4为图3中单元在X波段的主极化反射率与反射相移,随着中十字型结构尺寸l变化时的曲线图。
图5为图3中单元在高频处的交叉极化反射率与反射相移,随着中“I”型结构斜置角度θ变化时的曲线图。
图6中,6(a)为X波段的相位分布,6(b)为高频处的相位分布。
图7中,7(a)为中心频率9GHz处的远场方向图,7(b)为天线增益与口径效率随频率变化曲线。
图8中,8(a)为15GHz处的散射场图,8(b)为反射阵与同等面积尺寸金属板相比的RCS减缩曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1所示,设计的低RCS反射阵天线由结构10所示的Vivaldi馈源与结构20所示的单层反射阵列组成,其中Vivaldi天线在9GHz的相位中心位于单层反射阵列中心正上方的焦点处。
图2给出了单层反射阵列的顶视图,该型单层的反射阵列由15×15个十字型结构以及30×30个“I”型结构联合嵌套组成,阵面尺寸为165×165mm2。可以看出,每一个十字型结构均镶嵌在四个“I”型结构的中心。由此可知,该型反射阵列的基本单元为一个十字型结构与四个“I”型结构。
单元结构如图3(a)所示。可以看出,该型单元主要由结构21所示的工作于X波段的十字型金属结构,22所示的工作于Ku波段的“I”型结构,结构23所示的介质基板以及24所示的金属地板组成。需要注意的是,附图中为便于说明,结构23、24之间具有间隙,实际中并无间隙。在具体的实施例中,改变图3(b)中所示的十字型金属结构的长度l来调节X波段的主极化相移,改变图3(b)中的“I”型结构的斜置角度θ来调节Ku波段的交叉极化波相移。
图4给出了改变十字型金属结构长度l时,X波段的主极化反射幅度以及主极化相移。可以看出在9GHz附近,通过合理调节尺寸l,我们获得了2bit的相移。同样地,当改变“I”型结构斜置角度θ时,图5(a)给出了Ku波段的交叉极化反射率,图5(b)给出了交叉极化的反射相移。可以看出,在12.5-20.5GHz范围内,具有较高的交叉极化反射率以及严格的180度相位差,也就是说在Ku波段获得了高的交叉极化转化率以及对交叉极化波获得了1bit的相移。
我们为X波段分布了如图6(a)所示的双曲线型相位分布,其具体的相位分布公式为
其中Φ为坐标(x,y)处的相移值,λ为设计频点9GHz处的自由空间波长,F为设计的焦距,Φ0为参考相位,需要注意的是,由于相移值仅有2bit,因此在实际设计中对上述的相位分布进行了2bit离散化处理。对Ku波段设置了如图6(b)所示的棋盘格式的相位分布来实现Ku波段的背向RCS减缩。
图7(a)给出了X波段的远场辐射效果图,可以看出,Vivaldi馈源辐射的球面波经阵面反射后形成了较好的高增益辐射效果。具体地,图7(b)给出了8-10GHz范围内的天线增益值与口径效率,可以看出,该型反射阵天线能够在8.6-10GHz频率范围内实现20dB以上的天线增益,且在中心频点9GHz出口径效率达到了53.4%。
图8(a)给出了15GHz的散射场图,可以看出,棋盘格式的相位分布使得我们在高频处获得了较好的散射对消效果,从而实现了较低的后向RCS效果。图8(b)给出了该型反射阵与同等面积尺寸金属板相比的RCS减缩曲线,可以看出,在高频12.5-20.5GHz范围内实现了10dB以上背向RCS至少减缩的效果。综合以上的实验结果可以看出,我们设计的低RCS天线在X波段实现了较好的高增益辐射效果,且在Ku波段实现了较好的后向RCS减缩效果。除此之外,该型低RCS反射阵为平面结构且制作简便,剖面低,性能好,在军事应用领域具有较好的应用前景。

Claims (6)

1.一种具有低RCS特性的反射阵天线,其特征是,所述反射阵天线由Vivaldi天线馈源与单层的反射阵列组成;所述的单层的反射阵列,由工作于Ku波段的反射阵天线单元与工作于X波段的反射阵天线单元联合嵌套组成。
2.根据权利要求1所述的具有低RCS特性的反射阵天线,其特征是,所述的Vivaldi天线馈源,采用微带线转槽线的结构,能够在X波段有效辐射球面波。
3.根据权利要求1所述的具有低RCS特性的反射阵天线,其特征是,所述的工作于Ku波段的反射阵天线单元,为“I”型结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上。
4.根据权利要求1所述的具有低RCS特性的反射阵天线,其特征是,所述的工作于X波段的反射阵天线单元,为十字型单元结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上;所述的联合嵌套组成方法,十字型单元结构的金属贴片位于四个“I”型金属贴片的中心位置。
5.根据权利要求1-4所述的具有低RCS特性的反射阵天线的设置方法,其特征是,反射阵天线由Vivaldi天线馈源与单层的反射阵列组成,Vivaldi天线馈源位于单层的反射阵列的正上方。反射阵天线通过采用工作于Ku波段的反射阵天线单元与工作于X波段的反射阵天线单元相互嵌套的方法,来实现X波段高增益辐射,Ku波段大幅度降低背向RCS的效果;所述的工作于Ku波段的反射阵天线单元,为“I”型结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上;所述的工作于X波段的反射阵天线单元,为十字型单元结构的金属贴片刻蚀在具有金属背板的介质层上;该型反射阵天线能够在Ku波段有效降低背向RCS从而形成低RCS特性,在X波段将球面波转化为平面波,形成高增益辐射的特性。
6.根据权利要求5所述的设置方法,其特征是,所述的“I”型结构,通过为“I”型结构设计不同的旋转角来实现对Ku波段的交叉极化波1bit的相位调控,通过设计棋盘格式的相位分布来实现Ku波段的背向RCS减缩;所述的十字型单元结构,通过调节十字结构的臂长(调节范围6.5mm-10.5mm)来实现对X波段的主极化波2bit的相位调控,通过设计双曲线型相位分布实现X波段的相位补偿,从而将X波段Vivaldi天线辐射的球面波转化为平面波,从而实现高增益辐射。
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