CN110931969A - 一种散射波束可重构的低rcs阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，包括介质基板、介质基板下表面印制的N个开缝金属地板、N个馈电结构、上表面印制的N个辐射贴片和N个环形辐射体，所述馈电结构由金属柱和矩形金属片组成，所述环形辐射体由矩形金属环、金属贴片和镶嵌在矩形金属环上的PIN管、电容和电感组成；所述矩形金属环设有M×N个开口，其中，M≥1，且开口的端部分别与PIN管和电容相连接；所述金属贴片位于矩形金属环外侧，且通过电感与矩形金属环相连；本发明通过矩形辐射环来调节散射波波束，保证天线阵列辐射特性的情况下，获得了高增益的效果，实现天线的垂直入射和斜入射情况下的雷达散射截面的明显减缩。

Description

一种散射波束可重构的低RCS阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，可适用于低可观测特性的通信天线和导弹天线。

背景技术

在传统的通信领域中，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，而天线的辐射特性是衡量天线优劣的主要指标。随着天线被越来越多地应用在飞机、导弹、船舰等军事领域，人们对天线散射特性的要求也越来越高。而提高天线散射特性的关键在于如何缩减雷达散射截面，而雷达散射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。

天线是一种散射体，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。

雷达散射截面的具体减缩方案可以分为如下几种，首先，将天线整体结构进行改进，通过将入射的电磁波散射到非威胁方向并实现宽带雷达截面的减缩，但是用这种减缩办法通常带来的减缩效果并不十分明显。其次，可以通过使用周期性结构，如频率选择表面，人造磁导体或偏振旋转表面来获得天线RCS减少。但是，这些方法只能保持天线辐射增益不变或者导致增益恶化。此外，周期性结构通常增加天线尺寸而没有增益增强，这会导致相对低的孔径效率。人们在天线上层覆盖一层吸波超材料，通过将吸波超材料放置在天线的顶层上，入射的电磁波可以被吸波超材料吸收，进而减缩天线雷达截面。然而，这些天线中使用的吸波材料通常在天线工作频带外工作，并获得高增益，但是工作频带内的雷达散射截面不能降低，说明天线在工作时隐身特性差，容易被雷达探测。

例如，西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司，在其申请的名称为“一种超宽带低雷达截面的微带天线”(申请号：201710727439.8，申请公布号：CN107579346 A)的专利申请文件中，公开了一种基于极化转换表面的微带天线。包括介质基板、金属地板、极化转换表面、辐射单元和同轴接头；金属地板印制在介质基板的下表面，极化转换表面印制在介质基板的上表面，介质基板的上侧中心位置设置有矩形腔体，该腔体上方设置有与同轴接头输出端固定的辐射单元，极化转换表面由四个极化转换单元组组成，每个极化转换单元组包含若干个递减分形单元，相邻极化转换单元组中的递减分形单元的排列方向相差90°。但是，该发明在14GHz处的峰值增益仅为7.13dBi，天线增益较低。

例如，西安电子科技大学在其申请的名称为“低雷达截面的微带阵列天线”(申请号：201410081431.5，授权公告号为：CN 103840258 B)的专利申请文件中，公开了一种低雷达截面微带阵列天线。该天线的辐射单元和金属地板分别印制在介质材料板的两面，在金属地板上开有多个互补开口谐振环，这些互补开口谐振环分布在辐射单元正下方的金属地板四周，每个互补开口谐振环由条蛇形弯折的槽线段形成镜像对称结构，外围轮廓呈正方形，并留有开口，且谐振频率与阵列天线的工作频率相同。该阵列天线具有辐射特性稳定，雷达截面低的特点，但是，并不能实现散射波波束的主动调控，也不能实现电磁波斜入射情况下的RCS减缩。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，通过矩形辐射环来调节散射波波束，保证天线阵列辐射特性的情况下，实现天线的垂直入射和斜入射情况下的低雷达散射截面效果。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

1、一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，包括介质基板、介质基板下表面印制的N个开缝金属地板、N个馈电结构、上表面印制的N个辐射贴片和N个环形辐射体，其中，N≥2，N为正整数；所述开缝金属地板上蚀刻有长方形缝隙；所述馈电结构由金属柱和矩形金属片组成，该金属柱贯穿于介质基板并与开缝金属地板相连接，该矩形金属片镶嵌在介质基板的内部；

所述环形辐射体由矩形金属环、金属贴片和镶嵌在矩形金属环上的PIN管、电容和电感组成；所述辐射贴片位于环形辐射体的中心，所述矩形金属环设有M×N个开口，其中，M≥1，且开口的端部分别与PIN管和电容相连接；所述金属贴片位于矩形金属环外侧，且通过电感与矩型金属环相连；

所述环形辐射体的几何中心与的辐射贴片的几何中心相互重合；

所述开缝金属地板的几何中心与辐射贴片在开缝金属地板上投影的几何中心相互重合。

所述矩形金属环为正方形的方环结构，外边长表示为b，宽度表示为WL，b为9mm～31mm，WL为0.1mm～2.1mm。

所述辐射贴片为正方形结构，边长表示为a，a为8mm～26mm。

所述矩形缝隙的中心与开缝金属底板(2)的几何中心相互重合。

本发明与现有技术相比具有如下优点；

1、本发明中采用的环形辐射体由矩形金属环、金属贴片和镶嵌在矩形金属环上的PIN管、电容和电感；通过在介质基板上印制天线辐射单元并加载PIN二极管和电容，对天线单元上的PIN二极管通断状态进行调控，能够改变天线单元反射电磁波的状态，并对反射相位进行改变，通过主动控制相位调控散射电磁波的波束方向，在电磁波斜入射情况下，单、双站雷达散射截面均能得到减缩，克服了现有技术中不能实现电磁波斜入射情况下的RCS减缩的技术问题，当电磁波以43°、36°、20°、10°的角度斜入射时，天线雷达散射截面都能得到10dBsm以上的减缩。

2、本发明中采用的环形辐射体由矩形金属环、金属贴片和镶嵌在矩形金属环上的PIN管、电容和电感；在对天线单元上的PIN二极管通断状态进行调控时，天线单元辐射特性稳定，天线阵列可以在不影响辐射特性的情况下实现雷达截面减缩的目的，电磁波垂直入射时天线阵列雷达散射截面最大减缩量，能够达到16dBsm，克服了现有技术中天线增益较低的技术问题，并且阵列天线的增益能够达到21.5dBi。

附图说明

图1是本发明天线单元的整体结构示意图

图2是本发明天线单元的俯视结构示意图

图3时本发明天线单元的侧视结构示意图

图4时本发明天线单元开缝金属地板的俯视结构示意图

图5是本发明阵列天线的不同平面的辐射方向图

图6是本发明阵列天线的电磁波垂直入射的单站雷达截面图

图7是本发明阵列天线的电磁波斜入射波照射下的单站雷达截面图

图8是本发明阵列天线的电磁波斜入射波照射下的双站雷达截面图。

具体实施方式

以下结合附图本发明作进一步详细描述：

实施例1：

参照图1、图2、图3、和图4，

一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，包括介质基板1、介质基板1下表面印制的N个开缝金属地板2、N个馈电结构3、上表面印制的N个辐射贴片4和N个环形辐射体5，其中，N≥2，N为正整数；所述开缝金属地板2上蚀刻有长方形缝隙2.1；所述馈电结构3由金属柱3.1和矩形金属片3.2组成，该金属柱3.1贯穿于介质基板(1)并与开缝金属地板2相连接，该矩形金属片3.2镶嵌在介质基板1的内部；其特征在于：

所述环形辐射体5由矩形金属环5.1、金属贴片5.2和镶嵌在矩形金属环5.1上的PIN管5.3、电容5.4和电感5.5组成；所述辐射贴片4位于环形辐射体5的中心，所述矩形金属环5.1设有M×N个开口，其中，M≥1，且开口的端部分别与PIN管5.3和电容5.4相连接；所述金属贴片5.2位于矩形金属环5.1外侧，且通过电感5.5与矩型金属环5.1相连；

所述环形辐射体5的几何中心与的辐射贴片4的几何中心相互重合；

所述开缝金属底板2的几何中心与辐射贴片4在开缝金属地板2上投影的几何中心相互重合。

在本发明中，在介质基板1上表面印制的辐射贴片4，和环形辐射体5，共同作用为阵列天线的辐射体，环形辐射体5上的金属环5.1上存在多个开口，并嵌入PIN二极管5.3，使用外接直流电压控制PIN二极管5.3的通断状态，但是PIN二极管5.3的通断状态对辐射贴片4和环形辐射体5的辐射性能影响很小，电磁波相位并不会发生明显的改变，主辐射波束并不会发生偏移，并且，当天线阵为8×8阵列结构，天线增益较高。

当天线接收电磁波照射时，同样通过控制PIN二极管5.3上外接的直流电压，控制二极管的通断状态，控制单个单元反射出的电磁波的反射相位和反射系数，对不同单元间的反射相位差进行主动调控，使得阵列反射电磁波的波束方向发生偏转，从而减少雷达探测方向接收到的散射能量。

在环形辐射体4中，方形金属环5.1上嵌入的电容5.4连接在在直流电源正负极之间，起到了阻断直流电流的作用，能够避免短路，使得PIN二极管5.3能够正常工作；金属贴片5.2与矩形金属环5.5间的电感，能够起到隔断高频电流的作用，避免金属贴片5.2上加载的直流源对天线阵的辐射、散射性能产生影响。由于矩形金属环5.1包裹辐射贴片4，在天线进行辐射时，本身接受到辐射贴片4耦合出的能量进行辐射，所以PIN管通断状态下的电路特性并不会对辐射性能造成影响；考虑电磁波散射特性时，矩形金属环5.1和辐射贴片4共同作用，PIN管的通断状态会对电磁波散射状态造成较强的影响，从而使得单元反射出的电磁波的反射系数和反射相位发生改变。

所述矩形金属环5.1为正方形的方环结构，外边长表示为b，宽度表示为WL，本发明的方环结构b的外边长优选为19.4mm，宽度WL优选为1.2mm。

所述辐射贴片4为正方形结构，边长表示为a，本发明正方形结构的边长a优选为13.6mm。

所述矩形缝隙2.1的中心与开缝金属底板2的几何中心相互重合。

本实施实例中所述天线阵列，N取64，为使天线具有较为良好的辐射特性，天线阵呈棋盘式排布，且关于yoz面对称；

所述矩形金属环5.1上臂上嵌入两个电容5.4，容值为C1，C1＝0.2pF；金属贴片5.2与矩形金属环5.1通过电感5.5相连，感值为Ls,Ls＝0.7nH；

所述天线单元中金属开缝地板2边长为p，p＝30mm，地板上开出与x轴水平的矩形缝隙2.1，缝长为L1，L1＝19.4mm。介质基板1内嵌入矩形金属片3.2，其在地板上的投影与矩形缝隙2.1互相垂直，与开缝地板2通过金属柱3.1相连，矩形金属片3.2长为L2，L2＝9.5mm；单元中所述介质基板1边长为c，c＝30mm，介质基板1厚度为h1，h1＝5mm。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：

矩形金属环5.1为正方形的方环结构，外边长表示为b，宽度表示为WL，外边长b为9mm，WL为0.1mm，辐射贴片4为正方形结构，边长表示为a，边长a为8mm。

实施例3：

参照图2

矩形金属环5.1为正方形的方环结构，外边长表示为b，宽度表示为WL，外边长b为31mm，宽度WL为2.1mm，辐射贴片4为正方形结构，边长表示为a，边长a为26mm。

以下结合附图和对本发明作进一步的描述

1、仿真内容与条件

利用商业仿真软件Ansoft HFSS对上述实施例在5GHZ处的辐射方向图进行仿真计算，结果如图5所示。

利用商业仿真软件Ansoft HFSS对上述实施例的单站雷达截面进行仿真计算，结果如图6所示，其中：图6(a)为实施例阵列天线在3.6-6GHz频段内TE极化垂直入射波照射下单站雷达截面对比图，图6(b)为实施例阵列天线在3.6-6GHz频段内TM极化入射波垂直照射情况下雷达截面对比图。

利用商业仿真软件Ansoft HFSS对上述实施例在斜入射波照射下的单站雷达截面进行仿真计算，结果如图8所示，其中：7(a)为实施例阵列天线在TE极化10°入射波照射XOZ面的单站雷达截面图，图7(b)为实施例阵列天线在TE极化43°入射波照射YOZ面的单站雷达截面图，图7(c)为实施例阵列天线在TM极化10°入射波照射XOZ面的单站雷达截面图，图7(d)为实施例阵列天线在TM极化43°入射波照射YOZ面的单站雷达截面图。

利用商业仿真软件Ansoft HFSS对上述实施例在斜入射波照射下的双站雷达截面进行仿真计算，结果如图8所示，其中：图8(a)为实施例阵列天线在TE极化20°入射波照射XOZ面的双站雷达截面图，图8(b)为实施例阵列天线在TE极化36°入射波照射YOZ面的双站雷达截面图，图8(c)为实施例阵列天线在TM极化20°入射波照射XOZ面的双站雷达截面图，图8(d)为实施例阵列天线在TM极化36°入射波照射YOZ面的双站雷达截面图。

2、仿真结果分析：

参照图5，图5(a)为实施例在5GHz的XOZ面的辐射方向图，图5(b)为实施例在5GHz的YOZ面辐射方向图。从图中可以看出，实施例阵列天线的最大辐射方向垂直于辐射单元表面，最大增益为21.5dBi。

参照图6，图6(a)为实施例阵列天线在3.6-6GHz频段内TE极化垂直入射波照射下单站雷达截面对比图，图6(b)为实施例阵列天线在3.6-6GHz频段内TM极化入射波垂直照射情况下雷达截面对比图。从图中可以看出，实施例阵列天线在的雷达截面最大缩减值在4.2GHz处达到了16dBsm。

参照图7，图中的曲线表示为对比参考阵列天线与阵列天线的单站雷达散射截面，图7(a)为实施例阵列天线在TE极化10°斜入射波照射XOZ面的单站雷达截面图，图7(b)为实施例阵列天线在TE极化43°斜入射波照射XOZ面的单站雷达截面图，图7(c)为实施例阵列天线在TM极化10°斜入射波照射XOZ面的单站雷达截面图，图7(d)为实施例阵列天线在TM极化43°斜入射波照射XOZ面的单站雷达截面图。从图中可以看出，在TE极化10°斜入射波照射下，实施例阵列天线在XOZ平面±8°角域内雷达截面得到减缩，在TE极化43°斜入射下XOZ面±21°角域内雷达截面得到减缩，在TM极化10°斜入射入射波照射下，实施例阵列天线在XOZ平面-8～4°角域内雷达截面得减缩，在TM极化43°斜入射入射波照射下，实施例阵列天线在XOZ平面-21～4°角域内雷达截面得减缩，

参照图8，图中的曲线表示为对比参考阵列天线与阵列天线的双站雷达散射截面，在TE极化20°斜入射波照射下，在TE极化36°斜入射下，在TM极化20°斜入射入射波照射下，在TM极化36°斜入射入射波照射下，阵列天线双站波束均能得到偏转，减缩双站雷达散射截面。

以上仿真结果说明，与现有技术相比，本发明天线阵列通过方形辐射单元和环形辐射体的共同作用同时实现了散射波束可调，并且斜入射电磁波同样具有减缩雷达散射截面的作用，能够实现21.4dBi的峰值增益，具有良好的辐射散射特性，改善了现有技术的不足之处。

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 (4)

1.一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，包括介质基板(1)、介质基板(1)下表面印制的N个开缝金属地板(2)、N个馈电结构(3)、上表面印制的N个辐射贴片(4)和N个环形辐射体(5)，其中，N≥2，N为正整数；所述开缝金属地板(2)上蚀刻有长方形缝隙(2.1)；所述馈电结构(3)由金属柱(3.1)和矩形金属片(3.2)组成，该金属柱(3.1)贯穿于介质基板(1)并与开缝金属地板(2)相连接，该矩形金属片(3.2)镶嵌在介质基板(1)的内部；其特征在于：

所述环形辐射体(5)由矩形金属环(5.1)、金属贴片(5.2)和镶嵌在矩形金属环(5.1)上的PIN管(5.3)、电容(5.4)和电感(5.5)组成；所述辐射贴片(3)位于环形辐射体(5)的中心，所述矩形金属环(5.1)设有M×N个开口，其中，M≥1，且开口的端部分别与PIN管(5.3)和电容(5.4)相连接；所述金属贴片(5.2)位于矩形金属环(5.1)外侧，且通过电感(5.5)与矩型金属环(5.1)相连；

所述环形辐射体(5)的几何中心与的辐射贴片(4)的几何中心相互重合；

所述开缝金属地板(2)的几何中心与辐射贴片(4)在开缝金属地板(2)上投影的几何中心相互重合。

2.根据权利要求1所述的一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，其特征在于：所述矩形金属环(5.1)为正方形的方环结构，外边长表示为b，宽度表示为WL，b为9mm～31mm，WL为0.1mm～2.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片(4)为正方形结构，边长表示为a，a为8mm～26mm。

4.根据权利要求1所述的一种散射波束可重构的低RCS阵列天线，其特征在于：所述矩形缝隙(2.1)的中心与开缝金属底板(2)的几何中心相互重合。

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