CN110212298B - 一种新型天线-天线罩一体化结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型天线‑天线罩一体化结构及设计方法，涉及低RCS隐身技术领域，本发明包括超材料吸波体和馈电结构。所述超材料吸波体由周期性金属‑介质堆栈而成；所述馈电结构由单极子天线组成；所述超材料吸波体置于所述单极子天线一侧。本发明采用印刷电路板技术制成，成本低、结构简单、体积小、剖面低，同时具有带宽宽、增益高等优点，带外RCS缩减效果明显，且在较大入射角域内依然具有良好的RCS缩减效果，抗压防撞能力强，通过调节结构单元尺寸，可以改变天线的工作频段、带宽、增益等辐射特性、RCS缩减性能以及机械结构特性，具有较大的设计自由度。

Description

一种新型天线-天线罩一体化结构及设计方法
技术领域
本发明涉及低RCS隐身技术领域，特别涉及一种新型天线-天线罩一体化结构及设计方法。
背景技术
隐身化是现代和未来武器平台发展的必然趋势。隐身平台设计一般首先通过测试全尺寸全金属平台的RCS确定其隐身外形，其次设法降低其上开设的孔径的RCS。因为武器平台执行战斗任务依赖于其上搭载的各种天线(通信导航、电子支援、敌我识别等)，所以需开设不同的天线孔径以安装这些功能器件，任何一个天线孔径处理不善都会对整机隐身性能带来极为不利的影响。因此，任何隐身平台都要在天线孔径隐身设计上投入很大的精力，天线孔径隐身设计是隐身平台设计不可或缺的组成部分。目前，天线孔径隐身主要有两种技术手段：一是通过加载隐身天线罩，阻止敌方雷达波进入天线孔径；二是通过设计低RCS天线辐射体，缩减天线本身的电磁散射特性。
隐身天线罩主要是由介质或金属制成，通过在罩体表面开设周期性缝/孔或刻蚀周期性金属结构单元，以期高效透射天线带内的电磁波、散射或吸收带外电磁波。天线罩不仅能够保护天线不受外界恶劣天气环境的影响，防止外来物体的撞击，而且能够达到缩减天线RCS的目的，无论在军用还是民用方面均有非常重要的用途。但是，天线罩通常会影响天线的辐射性能，如引发瞄准误差，产生去极化效应，增加天线旁瓣等。因此，在设计天线罩时需要考虑其对天线的影响，或者在进行天线设计时计及天线罩的影响。
遗憾的是，传统天线、天线罩设计通常是分开进行的，即认为天线、天线罩之间互不影响；在加载天线罩时，通过在天线阵面与天线罩之间留有一定距离，以弱化天线罩对天线的影响。因此，亟需发展天线-天线罩一体化设计技术，为高性能天线孔径隐身设计提供崭新的技术途径。
发明内容
本发明实施例提供了一种新型天线-天线罩一体化结构及设计方法，用以解决现有技术中存在的问题，即现有隐身天线罩或低RCS天线，天线罩与天线分开设计，继而导致天线罩影响天线辐射特性等不足。
一种新型天线-天线罩一体化结构，包括超材料吸波体和馈电结构，所述馈电结构包括单极子天线和金属地，所述金属地上方设有所述单极子天线，所述单极子天线一侧设有所述超材料吸波体。
进一步地，所述超材料吸波体由周期性金属-介质堆栈而成。
进一步地，所述周期性金属-介质为铜-FR4环氧玻璃布板。
进一步地，所述超材料吸波体和所述金属地之间设有方便加工和测试的隔片。
进一步地，所述超材料吸波体的形状为方形金字塔状。
一种基于一种新型天线-天线罩一体化结构的设计方法，包括：
建立超材料吸波体结构和馈电结构并组成新型天线-天线罩一体化结构；
通过改变所述超材料吸波体结构的尺寸和所述馈电结构的尺寸，来调控所述新型天线-天线罩一体化结构的工作频段、增益、RCS缩减性能和结构强度。
本发明有益效果：本发明采用印刷电路板技术制成，成本低、结构简单、体积小、剖面低，同时具有带宽宽、增益高等优点，带外RCS缩减效果明显，且在较大入射角域内依然具有良好的RCS缩减效果，抗压防撞能力强，通过调节结构单元尺寸，可以改变天线的工作频段、带宽、增益等辐射特性、RCS缩减性能以及机械结构特性，具有较大的设计自由度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种新型天线-天线罩一体化结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种新型天线-天线罩一体化结构的S11曲线以及峰值增益曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种新型天线-天线罩一体化结构的不同频点处E面、H面方向图；
图4为本发明实施例提供的一种新型天线-天线罩一体化结构的不同频点处、不同入射面情况下、同极化波以及交叉极化波照射时单站RCS测试曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种新型天线-天线罩一体化结构的同极化以及交叉极化电磁波垂直入射时单站RCS测试曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种新型天线-天线罩一体化结构的压缩性能测试曲线。
附图标记说明：
1-超材料吸波体，2-隔片，3-单极子天线，4-金属地。
具体实施方式
下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
超材料是由亚波长单元组成的、具有自然材料所不具备的超常物理性质的一种人工复合材料，可实现对电磁波幅值、相位、极化和传播模式等属性的自由调控。基于超材料思想设计的周期性金属-介质堆栈结构，即超材料吸波体，其色散曲线由低频段近似线性弱色散区和高频段非线性强色散区构成，可应用于雷达吸波材料、新型天线等的设计。
本发明包括超材料吸波体1(同时充当辐射体)和馈电结构。所述超材料吸波体1由周期性金属-介质堆栈而成，例如铜-FR4环氧玻璃布板。所述馈电结构由单极子天线3和金属地4组成，所述金属地4上方设有所述单极子天线3，所述单极子天线3一侧设有所述超材料吸波体1。通过综合调控超材料1吸波体色散曲线中的强-弱色散区，使在弱色散区电磁波被高效耦合并辐射；而在强色散区，电磁波则被强烈吸收。本发明通过优化超材料吸波体和馈电结构的几何结构尺寸，无需分开单独设计天线、天线罩，超材料吸波体本身具有很好的吸波性能以及足够的机械强度，将其直接作为天线的辐射体以及点阵结构的基本单元，在保证天线高效辐射性能的同时，实现天线带外RCS缩减特性以及抗压防撞击能力。
为了便于加工和测试，所述超材料吸波体1和所述金属地4之间还可以设有隔片2。
在确定上述基本结构的前提下，根据具体要求进行一体化天线-天线罩的优化设计，目的是确定最优参数，包括超材料吸波体介质基板的介电常数、损耗和厚度，周期性堆栈金属-介质结构形式、尺寸，以及馈电单极子位置等。
一种基于一种新型天线-天线罩一体化结构的设计方法，包括：
建立超材料吸波体结构和馈电结构并组成新型天线-天线罩一体化结构；
通过改变所述超材料吸波体结构的尺寸和所述馈电结构的尺寸，来调控所述新型天线-天线罩一体化结构的工作频段、增益、RCS缩减性能和结构强度。
参照图1-6，本发明提供了一种新型天线-天线罩一体化结构，所述超材料吸波体1采用方形金字塔状金属-介质堆栈而成，介质厚度为t，相对介电常数为εr，损耗角正切为tan(δ)，金属为铜，层数为n。所述超材料吸波体下边长为a1，上边长为a2。所述单极子天线高度为Lm，与所述超材料吸波体中心距离为s。所述隔片长宽均为a1，厚度为d2，相对介电常数为εr，损耗角正切为tan(δ)。所述金属地厚度为d1，长为L，宽为W。
要求天线工作于C波段，在X波段具有低RCS特性。
根据上述技术指标进行计算优化，本发明的得到的最终设计结果如下：超材料吸波体所组成的介质基板厚度t＝0.2mm，相对介电常数εr＝4.3，损耗角正切tan(δ)＝0.025，层数n＝40，下边长a1＝8mm，上边长a2＝6mm；单极子天线高度为Lm＝10mm，与超材料吸波体的距离s＝6.1mm；隔片相对介电常数εr＝4.3，损耗角正切tan(δ)＝0.025，边长a1＝8mm，厚度d2＝2mm；金属地厚度d1＝1mm，长为L＝20mm，宽为W＝20mm。天线-天线罩总体尺寸为20×20×13mm3。
如图2所示，所述新型天线-天线罩一体化结构在6.5～8.5GHz频段内，S11均小于-10dB，增益在2.5～6.5dB之间变化。
如图3所示，所述新型天线-天线罩一体化结构在6.5GHz、7.5GHz以及8.5GHz处，E面、H面方向性与仿真结果基本吻合，其中，与天线极化方向平行的剖面方向图称为E面，与天线极化方向垂直的剖面方向图称之为H面。
如图4所示，所述新型天线-天线罩一体化结构在X波段入射角-30～+30°范围内，均具有良好的RCS缩减效果。
如图5所示，所述新型天线-天线罩一体化结构在同极化以及交叉极化电磁波垂直入射情况下，RCS缩减效果明显，且相比于金属板，最大缩减值可达20dB。
如图6所示，所述新型天线-天线罩一体化结构最大抗压36.1Mpa。
综上所述，本发明采用印刷电路板技术制成，成本低、结构简单、体积小、剖面低，同时具有带宽宽、增益高等优点，带外RCS缩减效果明显，且在较大入射角域内依然具有良好的RCS缩减效果，抗压防撞能力强，通过调节结构单元尺寸，可以改变天线的工作频段、带宽、增益等辐射特性、RCS缩减性能以及机械结构特性，具有较大的设计自由度，且在保证高效的收/发性能前提下，机械强度高，RCS缩减效果明显，实现结构功能一体化。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型天线-天线罩一体化结构，其特征在于，包括超材料吸波体(1)和馈电结构，所述馈电结构包括单极子天线(3)和金属地(4)，所述金属地(4)上方设有所述单极子天线(3)，所述单极子天线(3)一侧设有所述超材料吸波体(1)，其中，所述超材料吸波体(1)作为天线罩结构的同时还作为所述单极子天线(3)的辐射体。
2.如权利要求1所述的一种新型天线-天线罩一体化结构，其特征在于，所述超材料吸波体(1)由周期性金属-介质堆栈而成。
3.如权利要求2所述的一种新型天线-天线罩一体化结构，其特征在于，所述周期性金属-介质为铜-FR4环氧玻璃布板。
4.如权利要求1所述的一种新型天线-天线罩一体化结构，其特征在于，所述超材料吸波体(1)和所述金属地(4)之间设有方便加工和测试的隔片(2)。
5.如权利要求1所述的一种新型天线-天线罩一体化结构，其特征在于，所述超材料吸波体(1)的形状为方形金字塔状。
6.一种基于权利要求1所述的一种新型天线-天线罩一体化结构的设计方法，其特征在于，包括：
建立超材料吸波体结构和馈电结构并组成新型天线-天线罩一体化结构；
通过改变所述超材料吸波体结构的尺寸和所述馈电结构的尺寸，来调控所述新型天线-天线罩一体化结构的工作频段、增益、RCS缩减性能和结构强度。
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