CN110265780B - 一种中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩 - Google Patents
一种中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，从上至下依次为第一金属层、用于附着第一金属层的第一介质层、空气作为介质的第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层、与第三介质层相同的第四介质层、第四金属层；第一金属层和第一介质层构成低频超材料极化转换层，第二金属层构成高频超材料极化转换层，第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层和第四介质层构成宽频带透波的频率选择表面层；本发明在不影响雷达天线罩透射窗口的前提下，在透射窗口的两侧将入射电磁波的极化特性发生改变，从而达到降低同极化RCS的目的。
Description
技术领域
本发明涉及天线罩，特别是涉及一种中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩。
背景技术
在现代化战争中，雷达技术是最主要的探测手段，大量应用于飞机、导弹、航海等领域，雷达罩的应用也日趋广泛。雷达罩天线罩不仅可以保护天线，防止其收到雨雪、大风、灰尘等外界环境的干扰，而且具有一定的频选功能，可以减少周围反射天线的干扰。
根据雷达作用方程，雷达在自由空间的最大探测距离与目标的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)的4次方根成正比，RCS每减小10dB，可使雷达作用距离减小约44％。因此在保证自身雷达正常收发电磁波的前提下，提高雷达罩的隐身性能显得至关重要。
由于不能影响自身雷达收发电磁波，不能直接应用外形隐身或者涂覆吸波材料进行隐身。目前，通常选用频率选择表面(FSS)对入射电磁波的传输和反射进行调控，以减小雷达罩的后向RCS；一种是将频率选择表面与超材料吸波器联合构成频率选择表面吸波体，将带外的反射信号吸收，以减小RCS，但是由于需要大量的集总电阻或者高阻碳浆来吸收带外反射信号，所以频率选择表面吸波体制作工艺复杂，成本比较高；另一种是将频率选择表面与超表面设计相结合，将带外的反射信号散射到其他方向减小后向RCS，但是这种方法往往是以牺牲其他方向的RCS为代价。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，在不影响雷达天线罩透射窗口的前提下，在透射窗口的两侧将入射电磁波的极化特性发生改变，从而达到降低同极化RCS的目的。
技术方案：本发明提供的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，包括四层金属层和四层介质层，共八层；天线罩从上至下依次为若干个金属线单元阵列排布构成的第一金属层、用于附着第一金属层的第一介质层、空气作为介质的第二介质层、若干个切角金属贴片单元阵列排布构成的第二金属层、第三介质层、包含若干个方环缝隙单元阵列排布的第三金属层、与第三介质层相同的第四介质层、若干个正方形金属贴片单元阵列排布构成的第四金属层；
第一金属层和第一介质层构成低频超材料极化转换层，第二金属层构成高频超材料极化转换层，第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层和第四介质层构成宽频带透波的频率选择表面层；其中，空气作为介质的第二介质层用于调节上层极化转换单元与频率选择表面之间的距离。
在频率选择表面通带的两侧分别设计宽带极化转换结构，使得该新型隐身天线罩在不影响其宽频带通带的前提下，在低频和高频侧分别进行极化转换，降低通带两侧的RCS。
天线罩由若干个阵列单元排布构成，每个阵列单元从上至下依次为金属线单元、第一介质层单元、第二介质层单元、切角金属贴片单元、第三介质层单元、方形环隙单元、第四介质层单元、正方形金属贴片单元；金属线单元、切角金属贴片单元、方环缝隙单元、正方形金属贴片单元均位于阵列单元的中心位置；
第一金属层由若干个金属线单元阵列排布构成，第一介质层可划分为多个介质单元，每个介质单元中心位置上排布有一个金属线单元，金属线单元呈鱼骨状，包括中心线以及与中心线相连、且相对其对称的若干对箭头，中心线位于介质单元的副对角线上；
第二金属层由若干个切角金属贴片单元阵列排布构成，切角金属贴片单元是将正方形金属贴片单元上切除沿主对角线方向上的两个角形成的，切除的每个角均小于正方形金属贴片单元的二分之一。
第三金属层上设有若干个阵列排布的方环缝隙单元；
第四金属层由若干个正方形金属贴片单元阵列排布构成；
所述金属线条单元、切角金属贴片单元、方环缝隙单元、方形金属贴片单元的数量相同，且在天线罩上纵向的位置一一对应。
进一步地，所述第一介质层为相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037的RO4350B；第三介质层、第四介质层为相对介电常数为2.2的F4B板材。
进一步地，第二介质层的厚度为0.2mm，第二介质层的厚度为3.5mm，第三介质层和第四介质层的厚度为3mm。
进一步地，第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层材质相同，均为铜，厚度均为0.035mm。
优选地，所述金属线单元上有三对箭头，每对箭头相对排布，并相对于中心线的中点对称，箭头的指向远离中心线的中点；所述三对箭头分别为第一箭头、第二箭头、第三箭头，其两侧的金属线分别与中心线呈70°、72°、70°夹角；中心线两侧的箭头金属线的长度相同，分别为1mm、3.5mm、1.9mm；金属线单元的中心线长13.4mm，金属线的宽度均为0.4mm。
进一步地，所述阵列单元是边长为15mm的正方形。
天线罩的厚度为9.75mm。
进一步地，所述第二金属层的切角金属贴片单元是在边长为7.5mm的正方形贴片上切去3.5mm的边长形成的；所述第三金属层的方环缝隙单元的边长为6.3mm，缝隙的宽度为0.15mm；所述第四金属层的金属贴片单元的边长为7.5mm。
发明原理：本发明提供的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，在不影响雷达天线罩透射窗口的前提下，在透射窗口的两侧将入射电磁波的极化特性发生改变，从而达到降低同极化RCS的目的。通过超材料极化转换层和频率选择表面层级联的方式，同时对反射和透射的电磁波进行调控，提供一种在中频产生一个宽频带低插损中频透射窗口，低频和高频产生宽频带极化转换的方案。
其中，中频的宽频带透射窗口由第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层、第四介质层共同作用形成；在透射频带内通过第二金属层、第三金属层、第四金属层之间的LC并联谐振形成宽频带透射窗口，同时上层的第一金属层谐振在透射频带之外，不影响透射窗口的频带范围。在低频的极化转换频带内，第一金属层、第一介质层作为极化转换单元，第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层、第四介质层作为金属接地面，通过第二介质层的调节，实现对低频电磁波的极化转换；在高频的极化转换频带内，上层的第一金属层、第一介质层和下层的第二金属层共同作为极化转换单元，第三金属层、第四金属层和第三介质层、第四介质层作为金属接地面，实现高频的极化转换。本发明无需加载集总元件，结构简单，生产成本低，具有广阔的应用前景。
有益效果：
(1)本发明将耦合型频率选择表面与极化转换结构联合设计，提供了一种中频宽频带透波、高频和低频宽频带极化转换的新型隐身天线罩，抑制了传统的频率选择表面天线罩的带外强反射，带外隐身效果更好；
(2)本发明提供的天线罩具有一个中频透射窗口，具有低插损和宽频带特性；在中频透射窗口的两侧，高频和低频区具有两个极化转换带；对入射波的极化方式不敏感；
(3)本发明在不影响雷达天线罩透射窗口的前提下，在透射窗口的两侧将入射电磁波的极化特性发生改变，从而达到降低同极化RCS的目的；
(4)本发明由于无需引入集总电阻和高阻碳浆，比频率选择吸波体结构简单，结构为二维平面结构，制造成本低，应用范围更加广泛。
附图说明
图1是本发明的天线罩的三维示意图；
图2是天线罩各层结构的分层示意图；
图3是第一金属层的金属线单元示意图；
图4是第二金属层的切角金属贴片单元的示意图；
图5是第三金属层的方环缝隙单元的示意图；
图6是第四金属层的正方形金属贴片单元的示意图；
图7是天线罩的极化转换率、透射系数和反射系数仿真曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步地描述。
如图1所示，本发明提供的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩的三维示意图如图1所示，天线罩为横截面为正方形的二维结构，整体厚度为9.75mm；该天线罩包括四层金属层和四层介质层，共八层组成；天线罩从上至下依次为第一金属层、用于附着第一金属层的第一介质层、空气作为介质的第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层、与第三介质层相同的第四介质层、第四金属层；第一金属层和第一介质层构成低频超材料极化转换层，第二金属层构成高频超材料极化转换层，第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层和第四介质层构成宽频带透波的频率选择表面层；其中，空气作为介质的第二介质层用于调节上层极化转换单元与频率选择表面之间的距离。
天线罩由若干个阵列单元排布构成，阵列单元为边长为15mm的正方形；如图2所示，每个阵列单元从上至下依次为金属线单元1、第一介质层单元2、第二介质层单元3、切角金属贴片单元4、第三介质层单元5、方形环隙单元6、第四介质层单元7、正方形金属贴片单元8；金属线单元1、切角金属贴片单元4、方环缝隙单元6、正方形金属贴片单元8均位于阵列单元的中心位置。
第一金属层由若干个金属线单元1阵列排布构成，第一介质层可划分为若干个介质单元，每个介质单元中心位置上排布有一个金属线单元1，如图3所示为金属线单元示意图，金属线单元1呈鱼骨状，包括中心线以及与中心线相连、且相对其对称的3对箭头，中心线位于阵列单元的副对角线上；金属线单元1上有三对箭头，每对箭头相对排布，并相对于中心线的中点对称，箭头的指向远离中心线的中点；三对箭头分别为第一箭头9、第二箭头10、第三箭头11，其两侧的金属线分别与中心线呈70°、72°、70°夹角；箭头两侧的金属线的长度相同，分别为1mm、3.5mm、1.9mm；金属线单元1的中心线长13.4mm，金属线的宽度均为0.4mm。
第二金属层由若干个切角金属贴片单元4阵列排布构成，如图4所示为切角金属贴片单元的示意图，切角金属贴片单元4是将正方形金属贴片单元上切除沿主对角线方向上的两个角，第二金属层的切角金属贴片单元4是在边长为7.5mm的正方形贴片上切去3.5mm的边长形成的；
同样地，第三金属层上设有若干个阵列排布的方环缝隙单元6，如图5所示，方环缝隙单元6的边长为6.3mm，缝隙的宽度为0.15mm；第四金属层由若干个正方形金属贴片单元8阵列排布构成，如图6所示，正方形金属贴片单元8的边长为7.5mm；并且，金属线条单元1、切角金属贴片单元4、方环缝隙单元6、正方形金属贴片单元8的数量相同，且在天线罩上纵向的位置一一对应。
第一介质层为相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037的RO4350B；第三介质层、第四介质层为相对介电常数为2.2的F4B板材。
第二介质层的厚度为0.2mm，第二介质层的厚度为3.5mm，第三介质层和第四介质层的厚度均为3mm；第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层的材质相同，均为铜，厚度均为0.035mm。
图7为本实施例的隐形天线罩的极化转换率、反射系数和透射系数随频率变化的仿真曲线，从图中可以看出该天线罩具有一个中频宽通带以及通带两侧的两个极化转换带；通带插损在-1dB以上的频率范围为8.5～11GHz，相对带宽为25.6％，-3dB的通带范围为8-11.8GHz，相对带宽为38.38％，其中通带内最小插损为0.05dB；低频极化转换带的范围为5.6-7.46GHz，相对带宽为27.8％，高频极化转换带范围为12.4～15.1GHz，相对带宽为20％；在5.6-15.1GHz频率范围内的同极化反射系数均低于-10dB相对带宽达到91.2％。
Claims (9)
1.一种中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：所述天线罩从上至下依次为若干个金属线单元(1)阵列排布构成的第一金属层、用于附着第一金属层的第一介质层、空气作为介质的第二介质层、若干个切角金属贴片单元(4)阵列排布构成的第二金属层、第三介质层、包含若干个方环缝隙单元(6)阵列排布的第三金属层、与第三介质层相同的第四介质层、若干个正方形金属贴片单元(8)阵列排布构成的第四金属层；所述第一金属层和第一介质层构成低频超材料极化转换层，第二金属层构成高频超材料极化转换层，第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层和第四介质层构成宽频带透波的频率选择表面层；空气作为介质的第二介质层用于调节上层极化转换单元与频率选择表面之间的距离；
其中，第一金属层由若干个金属线单元阵列排布构成，金属线单元呈鱼骨状，包括中心线以及与中心线相连、且相对其对称的若干对箭头，中心线位于介质单元的副对角线上；
第二金属层由若干个切角金属贴片单元阵列排布构成，切角金属贴片单元是将正方形金属贴片单元上切除沿主对角线方向上的两个角形成的。
2.根据权利要求1所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：在频率选择表面通带的两侧分别设计宽带极化转换结构，使得隐身天线罩在不影响其宽频带通带的前提下，在低频和高频侧分别进行极化转换，降低通带两侧的RCS。
3.根据权利要求1所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：所述天线罩由若干个阵列单元排布构成，每个阵列单元从上至下依次为金属线单元(1)、第一介质层单元(2)、第二介质层单元(3)、切角金属贴片单元(4)、第三介质层单元(5)、方形环隙单元(6)、第四介质层单元(7)、正方形金属贴片单元(8)；金属线单元(1)、切角金属贴片单元(4)、方环缝隙单元(6)、正方形金属贴片单元(8)均位于阵列单元的中心位置；
所述金属线单元(1)包括中心线以及与中心线相连、且相对其对称的若干对箭头，中心线位于阵列单元的副对角线上；
所述切角金属贴片单元(4)是将正方形金属贴片单元(8)上切除沿主对角线方向上的两个角形成的，切除的每个角均小于正方形金属贴片单元(8)的二分之一。
4.根据权利要求1所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层的材质相同，均为铜。
5.根据权利要求1所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：所述第一介质层为RO4350B，第三介质层、第四介质层为F4B板材。
6.根据权利要求3所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：所述金属线单元(1)上有三对箭头，每对箭头相对于中心线的中点对称，箭头的指向远离中心线的中点。
7.根据权利要求3所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：所述阵列单元为正方形。
8.根据权利要求1所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：中频的宽频带透射窗口由第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层、第四介质层共同作用形成；在透射频带内通过第二金属层、第三金属层、第四金属层之间的LC并联谐振形成宽频带透射窗口，同时上层的第一金属层谐振在透射频带之外，不影响透射窗口的频带范围。
9.根据权利要求1所述的中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，其特征在于：在低频的极化转换频带内，第一金属层、第一介质层作为极化转换单元，第二金属层、第三金属层、第四金属层、第三介质层、第四介质层作为金属接地面，通过第二介质层的调节，实现对低频电磁波的极化转换；在高频的极化转换频带内，上层的第一金属层、第一介质层和下层的第二金属层共同作为极化转换单元，第三金属层、第四金属层和第三介质层、第四介质层作为金属接地面，实现高频的极化转换。
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