CN109921180A - 基于混合超表面的宽带雷达截面缩减缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于混合超表面的宽带雷达截面缩减缝隙阵列天线，其包括，下介质板(1)，上介质板(2)；上介质板上方依次紧贴第二、第三介质板(3，4)，第三介质板上方按不同间隔依次放置第四、第五、第六介质板(5，6，7)；第二、第三介质板上表面分别印有棋盘式排列的L型金属贴片单元(31，41)；第四介质板上下表面分别印有棋盘式排列的阻抗结构(51)和金属贴片单元(52)；第五介质板(6)的下表面印有数个条形金属贴片(61)；第六介质板(7)的上下表面分别印有由棋盘式排列的金属贴片单元(52)和阻抗结构(51)。本发明具有良好的散射特性，实现了缝隙阵列天线带内带外单站、双站雷达散射截面的有效缩减。

Description

基于混合超表面的宽带雷达截面缩减缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种缝隙阵列天线，可用于飞行器中，实现雷达系统整体带内带外单站、双站雷达散射截面的缩减。

背景技术

在通信领域中，信号发射和接收系统是整个通信平台中最重要的组成部分之一，天线是该系统中核心的部分，而辐射特性是衡量天线优劣的主要指标。提高散射特性的关键在于如何缩减雷达截面，而雷达截面是散射特性中最基本的参数，它是指目标在平面波照射下在给定方向上返回功率的一种量度。

天线是一类特殊的散射体，它的散射包括两部分：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。

由于天线系统自身的工作特点，它必须保证自身无线电波的正常接收和发射，因此常规的雷达截面减缩措施不可以简单地应用在天线上。所以在保持天线辐射特性不变的前提下，设计具有低雷达截面的天线有重要意义。

缝隙天线是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线对接地板上的缝隙进行馈电而形成的天线。缝隙阵列天线是由许多相同的单个缝隙天线按一定规律排列组成的天线系统。缝隙阵列天线具有重量轻、体积小、剖面薄、易于加工的优势，但现有的缝隙阵列天线，往往具有很大的雷达散射截面。在飞行器中，缝隙阵列天线会在某些方向产生很大的雷达散射截面，导致系统整体散射性能增大，因此降低缝隙阵列天线的雷达散射截面对系统整体散射性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种基于混合超表面的宽带雷达截面缩减缝隙阵列天线，旨在保证良好的辐射特性的同时，有效实现缝隙阵列天线带内带外单站、双站雷达散射截面的缩减。

为实现上述目的，本发明混合超表面的缝隙阵列天线，包括下介质基板1，上介质基板2，其特征在于：

上介质基板2的上方依次紧贴有第二介质基板3、第三介质基板4，该第三介质基板4的上方按照不同间隔依次放置有第四介质基板5、第五介质基板6、第六介质基板7；

该第二介质基板3和第三介质基板4的上表面分别印制有8*8棋盘式排列的第一L型金属贴片单元31和第二L型金属贴片单元41；

该第四介质基板5的上表面印制有4*5棋盘式排列的阻抗结构51，下表面印制有由4*4棋盘式排列的金属贴片单元52；

该第五介质基板6的下表面印制有由数个条形金属贴片61组成的贴片阵列；

该第六介质基板7的上表面印制有由4*4棋盘式排列的金属贴片单元52，下表面印制有4*5棋盘式排列的阻抗结构51。

进一步，所述下介质基板1的下表面印制有下金属地板11，上介质基板2的上表面印制有上金属地板21，上金属地板21蚀刻有4*4棋盘式排列的条形缝隙22，上介质基板2的下表面印制有一分十六功分器23。

进一步，所述阻抗结构51包括上贴片511、中贴片512、下贴片513和第一集总电阻514，这三个贴片形状均为矩形，且中贴片512的中部采用交指形结构，这三个贴片之间依次通过由第一集总电阻514连接。

进一步，所述金属贴片单元52包括两个相同的偶极子状金属贴片，每个偶极子状金属贴片由两个准椭圆形贴片组成，且这两个准椭圆形贴片通过第二集总电阻53连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明由于采用第二介质基板与第三介质基板紧贴的结构，并在第二介质基板和第三介质基板的上表面分别印制有8*8棋盘式排列的第一L型金属贴片单元31和第二L型金属贴片单元41，可构成极化旋转反射面；

第二，本发明由于通过第四、第五、第六介质基板按照不同间隔依次放置，且在各介质板上下表面印制的金属贴片，可构成各向异性频率选择吸收器；

第三，本发明通过极化旋转反射面与各向异性频率选择吸收器，可构成混合超表面。这种混合超表面不仅保证了缝隙阵列天线的辐射性能，而且在不同角度的平面波照射下，可有效吸收缝隙阵列天线带内、带外散射波，保证缝隙阵列天线在带内带外具有良好的散射特性，实现缝隙阵列天线带内带外单站、双站雷达散射截面的缩减。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明中上介质基板上表面按4*4棋盘式排列的条形缝隙示意图；

图4是本发明中第二介质基板上表面按8*8棋盘式排列的第一L型金属贴片单元示意图；

图5是图4中第一L型金属贴片单元结构示意图；

图6是本发明中第三介质基板上表面按8*8棋盘式排列的第二L型金属贴片单元示意图；

图7是图6中第二L型金属贴片单元结构示意图；

图8是本发明中第四介质基板上表面、第六介质基板下表面按4*5棋盘式排列的阻抗结构示意图；

图9是图8中的阻抗结构示意图；

图10是本发明中第四介质基板下表面、第六介质基板上表面按4*4棋盘式排列的金属贴片单元示意图；

图11是图10中的金属贴片单元结构示意图；

图12是本发明中第五介质基板下表面由数个条形金属贴片组成的贴片阵列示意图；

图13是本发明实施例在不同平面的辐射方向图；

图14是本发明实施例的单站雷达截面图；

图15是本发明实施例在斜入射波照射下的雷达截面图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例和效果作进一步详细描述：

参照图1和图2，本发明包括两层金属地板和七层介质基板。其中：

第一层下介质基板1的下表面印制有下金属地板11。下介质基板1的上方依次紧贴上介质基板2、第二介质基板3、第三介质基板4。第三介质基板4的上方按照不同间隔依次放置第四介质基板5、第五介质基板6、第六介质基板7，即第四介质基板5与第五介质基板6之间间距h1为2.2mm～3.6mm；第五介质基板6与第六介质基板7之间间距h2为1.2～2.8mm。下介质基板1的下表面印制有下金属地板11，上介质基板2的上表面印制有上金属地板21，本实例取但不限于h1＝3mm，h2＝2mm。

该第二介质基板3的上表面印制有8*8棋盘式排列的第一L型金属贴片单元31，该第三介质基板4的上表面印制有8*8棋盘式排列的第二L型金属贴片单元41，这两层介质基板构成极化旋转反射面。

该第四介质基板5的上表面印制有4*5棋盘式排列的阻抗结构51，下表面印制有由4*4棋盘式排列的金属贴片单元52；该第五介质基板6的下表面印制有由数个条形金属贴片61组成的贴片阵列；该第六介质基板7的上表面印制有由4*4棋盘式排列的金属贴片单元52，下表面印制有4*5棋盘式排列的阻抗结构51。这三层介质基板构成各向异性频率选择吸收器。通过极化旋转反射面与各向异性频率选择吸收器的层间结构，构成混合超表面。

上介质基板2的上表面印制有上金属地板21，上金属地板21蚀刻有4*4棋盘式排列的条形缝隙22，上介质基板2的下表面印制有一分十六功分器23。

参照图3，所述上介质基板2上表面按4*4棋盘式排列的条形缝隙22示意图。所述的4*4棋盘式排列，是将条形缝隙22按照上下4行、左右4列的等间距排列，且上下间距p4为13.5mm～17mm，左右间距q4为13.5mm～17mm，本实例取但不限于p4＝15mm，q4＝15mm。

参照图4，所述第二介质基板3上表面按8*8棋盘式排列的第一L型金属贴片单元是将第一L型贴片单元按照上下8行、左右8列的等间距排列，且上下方向间距p1为6.4mm～8.4mm，左右方向间距q1为6.4mm～8.4mm。本实例取但不限于p1＝7.5mm，q1＝7.5mm。

参照图5，所述第一L型金属贴片单元由两个大小相同，方向相对的L型金属贴片组成，即每个L型金属贴片垂直部分长度m1，水平部分长度m2均为3.8～5.2mm，垂直部分宽度n1，水平部分宽度n2均为1.28～1.4mm；本实例取但不限于m1＝m2＝4.5mm，n1＝n2＝1.35mm。每两行第一L型金属贴片单元之间设有为等间隔的条形缝隙通孔32，条形缝隙通孔的长度w1为9.6mm～10.8mm，宽度s1为0.2mm～0.8mm。本实例取但不限于w1＝10.5mm，s1＝0.5mm。

参照图6，所述第三介质基板4上表面按8*8棋盘式排列的第二L型金属贴片单元是将第二L型贴片单元按照上下8行、左右8列的等间距排列，且上下方向间距p1为6.4mm～8.4mm，左右方向间距q1为6.4mm～8.4mm。本实例取但不限于p1＝7.5mm，q1＝7.5mm。

参照图7，所述第二L型金属贴片单元由两个大小相同，方向相对的L型金属贴片组成，即每个L型金属贴片垂直部分长度m3，水平部分长度m4均为2.8～4.2mm，垂直部分宽度n3，水平部分宽度n4均为0.48～0.65mm；本实例取但不限于m3＝m4＝3.55mm，n3＝n4＝0.55mm。每两行第二L型金属贴片单元之间设有为等间隔的条形缝隙通孔42，条形缝隙通孔的长度w2为9.6mm～10.8mm，宽度s2为0.2mm～0.8mm。本实例取但不限于w2＝10.5mm，s2＝0.5mm。

参照图8，所述第四介质基板5上表面、第六介质基板7下表面按4*5棋盘式排列的阻抗结构51是将阻抗结构51按照上下4行、左右5列的等间距排列，且上下间距p2为13.5mm～17mm，左右间距q2为13.5mm～17mm。本实例取但不限于p2＝15mm，q2＝15mm。

参照图9，所述阻抗结构51包括上贴片511、中贴片512、下贴片513和第一集总电阻514，这三个贴片形状均为矩形，且中贴片512的中部采用交指形结构，这三个贴片之间依次通过第一集总电阻514连接。所述的4*5棋盘式排列，是将阻抗结构51按照上下4行、左右5列的等间距排列，且上下间距p2为13.5mm～17mm，左右间距q2为13.5mm～17mm。本实例取但不限于p2＝15mm，q2＝15mm。

参照图10，所述第四介质基板5下表面、第六介质基板7上表面按4*4棋盘式排列的金属贴片单元52是将金属贴片单元52按照上下4行、左右4列的等间距排列，且上下间距p3为13.5mm～17mm，左右间距q3为13.5mm～17mm。本实例取但不限于p3＝15mm，q3＝15mm。

参照图11，金属贴片单元52包括两个相同的偶极子状金属贴片，每个偶极子状金属贴片由两个准椭圆形贴片组成，且这两个准椭圆形贴片通过第二集总电阻53连接。所述的4*4棋盘式排列，是将金属贴片单元52按照上下4行、左右4列的等间距排列，且上下间距p3为13.5mm～17mm，左右间距q3为13.5mm～17mm。本实例取但不限于p3＝15mm，q3＝15mm。

参照图12，所述第五介质基板6下表面由数个条形金属贴片61组成的贴片阵列。条形金属贴片61的长度a3为60mm～80mm，宽度b3为0.2mm～0.33mm，并按照间距c3为0.62mm～0.86mm排列，组成贴片阵列。本实例取但不限于a3＝66mm，b3＝0.25mm，c3＝0.75mm。

上述第二介质基板3、第三介质基板4的尺寸均相同，其中长度a1为54mm～78mm，宽度b1为54mm～78mm，厚度c1为1.2mm～3mm，相对介电常数为2.2；本实例取但不限于a1＝60mm，b1＝60mm，c1＝2mm。

上述第四介质基板5、第五介质基板6、第六介质基板7的尺寸均相同，其中长度a2为60mm～80mm，宽度b2为60mm～80mm，厚度c2为0.6mm～2mm，相对介电常数为2.2。本实例取但不限于a2＝66mm，b2＝66mm，c2＝1mm。

上述下介质基板1的长度a4为60mm～80mm，宽度b4为60mm～80mm，厚度c4为3.2mm～5mm，相对介电常数为2.2；本实例取但不限于a4＝66mm，b4＝66mm，c4＝4mm。

上述上介质基板2的长度a5为60mm～80mm，宽度b5为60mm～80mm，厚度c5为0.6mm～2mm，相对介电常数为2.2；本实例取但不限于a5＝66mm，b5＝66mm，c5＝1mm。

上述下金属地板11与上金属地板21的尺寸均相同，且形状均为正方形，其边长a6为60mm～80mm。本实例取但不限于a6＝66mm。

本发明的技术效果可通过仿真实验进一步说明：

1、仿真内容：

仿真1，利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例在10GHz处的辐射方向图进行仿真计算，结果如图13所示。其中图13(a)为实施例在10GHz的XOZ面的辐射方向图，图13(b)为实施例在10GHz的YOZ面辐射方向图。从图8中可以看出，实施例缝隙阵列天线的最大辐射方向垂直于辐射缝隙，最大增益为15.8dBi。

仿真2，利用商业仿真软件HFSS_18.0，对上述实施例分别在X极化入射波和Y极化入射波的照射下，在6-18GHz内的单站雷达截面进行仿真计算，结果如图14所示。从图14可以看出，在X极化入射波和Y极化入射波照射下，实施例缝隙阵列天线的雷达截面最大缩减值分别为22.9dB和32.1dB；在10GHz处，实施例缝隙阵列天线的雷达截面最大缩减值分别为11.8dB和19.8dB。

仿真3，利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例在斜入射波下的单站雷达截面进行仿真计算，结果如图15所示。其中：

图15(a)为在极化入射波照射下10GHz处XOZ面的雷达截面图，

图15(b)为在极化入射波照射下10GHz处YOZ面的雷达截面图，

图15(c)为在θ极化入射波照射下10GHz处XOZ面的雷达截面图，

图15(d)为在θ极化入射波照射下10GHz处YOZ面的雷达截面图。

从图15可以看出，在极化入射波和θ极化入射波照射下，本实施例缝隙阵列天线在10GHz处XOZ面和YOZ面±45°角域内雷达截面得到了缩减。

以上仿真结果说明，本发明具有良好的辐射特性，同时很大程度地缩减了雷达截面。

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 (10)

1.一种基于混合超表面的宽带雷达截面缩减缝隙阵列天线，包括下介质基板(1)，上介质基板(2)，其特征在于：

上介质基板(2)的上方依次紧贴有第二介质基板(3)、第三介质基板(4)，以构成极化旋转反射面；

该第三介质基板(4)的上方按照不同间隔依次放置有第四介质基板(5)、第五介质基板(6)、第六介质基板(7)，以构成各向异性频率选择吸收器；

该第二介质基板(3)和第三介质基板(4)的上表面分别印制有8*8棋盘式排列的第一L型金属贴片单元(31)和第二L型金属贴片单元(41)；

该第四介质基板(5)的上表面印制有4*5棋盘式排列的阻抗结构(51)，下表面印制有由4*4棋盘式排列的金属贴片单元(52)；

该第五介质基板(6)的下表面印制有由数个条形金属贴片(61)组成的贴片阵列；

该第六介质基板(7)的上表面印制有由4*4棋盘式排列的金属贴片单元(52)，下表面印制有4*5棋盘式排列的阻抗结构(51)；

所述的极化旋转反射面和各向异性频率选择吸收器构成混合超表面。

2.根据权利1所述的天线，其特征在于，下介质基板(1)的下表面印制有下金属地板(11)，上介质基板(2)的上表面印制有上金属地板(21)，上金属地板(21)蚀刻有4*4棋盘式排列的条形缝隙(22)，上介质基板(2)的下表面印制有一分十六功分器(23)。

3.根据权利1所述的天线，其特征在于，阻抗结构(51)包括上贴片(511)、中贴片(512)、下贴片(513)和第一集总电阻(514)，这三个贴片形状均为矩形，且中贴片(512)的中部采用交指形结构，这三个贴片之间依次通过由第一集总电阻(514)连接。

4.根据权利1所述的天线，其特征在于，金属贴片单元(52)包括两个相同的偶极子状金属贴片，每个偶极子状金属贴片由两个准椭圆形贴片组成，且这两个准椭圆形贴片通过第二集总电阻(53)连接。

5.根据权利1所述的天线，其特征在于：

第二介质基板(3)、第三介质基板(4)的尺寸均相同，其中长度a1为54mm～78mm，宽度b1为54mm～78mm，厚度c1为1.2mm～3mm，相对介电常数为2.2；

第四介质基板(5)、第五介质基板(6)、第六介质基板(7)的尺寸均相同，其中长度a2为60mm～80mm，宽度b2为60mm～80mm，厚度c2为0.6mm～2mm，相对介电常数为2.2；

第四介质基板(5)与第五介质基板(6)之间间距h1为2.2mm～3.6mm；第五介质基板(6)与第六介质基板(7)之间间距h2为1.2～2.8mm。

6.根据权利1所述的天线，其特征在于，

第一L型金属贴片单元(31)由两个大小相同，方向相对的L型金属贴片组成，即每个L型金属贴片垂直部分长度m1，水平部分长度m2均为3.8～5.2mm，垂直部分宽度n1，水平部分宽度n2均为1.28～1.4mm；

第二L型金属贴片单元(41)由两个大小相同，方向相对的L型金属贴片组成，即每个L型金属贴片垂直部分长度m3，水平部分长度m4均为2.8～4.2mm，垂直部分宽度n3，水平部分宽度n4均为0.48～0.65mm。

7.根据权利1所述的天线，其特征在于，

所述8*8棋盘式排列，是将L型贴片单元按照上下8行、左右8列的等间距排列，且上下方向间距p1为6.4mm～8.4mm，左右方向间距q1为6.4mm～8.4mm；每两行L型金属贴片单元之间设有为等间隔的条形缝隙通孔；

所述4*5棋盘式排列，是将阻抗结构(51)按照上下4行、左右5列的等间距排列，且上下间距p2为13.5mm～17mm，左右间距q2为13.5mm～17mm；

所述4*4棋盘式排列，是将金属贴片单元(52)按照上下4行、左右4列的等间距排列，且上下间距p3为13.5mm～17mm，左右间距q3为13.5mm～17mm。

8.根据权利1所述的天线，其特征在于，位于第五介质基板(6)上的每个条形金属贴片(61)的长度a3为60mm～80mm，宽度b3为0.2mm～0.33mm，并按照间距c3为0.62mm～0.86mm排列组成贴片阵列。

9.根据权利2所述的天线，其特征在于：

下介质基板(1)的长度a4为60mm～80mm，宽度b4为60mm～80mm，厚度c4为3.2mm～5mm，相对介电常数为2.2；

上介质基板(2)的长度a5为60mm～80mm，宽度b5为60mm～80mm，厚度c5为0.6mm～2mm，相对介电常数为2.2；

下金属地板(11)与上金属地板(21)的尺寸均相同，且形状均为正方形，其边长a6为60mm～80mm。

10.根据权利2所述的天线，其特征在于，上金属地板(21)上蚀刻的4*4棋盘式排列，是将条形缝隙(22)按照上下4行、左右4列的等间距排列，且上下间距p4为13.5mm～17mm，左右间距q4为13.5mm～17mm。