CN112003012B - 增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线。目前已报道的带通型吸波性频率选择结构只能缩减天线的单站/双站/多站雷达散射截面，但是无法兼顾天线增益的提升，甚至还会略微降低天线的性能。本发明采用将吸波性频率选择结构覆盖在天线上方的方式，在低频和高频两个宽频带内实现了高隐身特性，同时在工作频带内提升了天线的增益，极大地提升了天线所在的系统的信噪比，提升了天线的性能。该天线增强增益的方式不同于以往的通过不同单元结构补偿不同入射角度的电磁波的相位，充分利用同一单元结构对不同斜入射角度具有不同相移的特性，设计原理清晰，设计结构非常简单，成本低廉。

Description

增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种增益增强型低雷达散射截面的空馈阵列天线，可应用于军舰的综合通信桅杆、战斗机火控雷达等电子对战平台。

背景技术

在当前的军事应用中，具有高增益、低雷达散射截面特性的天线备受青睐。高增益有利于增加天线所在系统的信噪比，提升整个系统的通信质量；而低雷达散射截面则可以提升天线的隐身特性，降低其被敌方探测雷达所发现的概率。天线的高增益通常用增加天线口径的方式来实现，但是这种方法会大大增加天线自身的雷达散射截面。而天线的雷达散射截面则可以通过在天线周围不需要的金属结构上涂覆吸波材料，减少电磁波的反射，但这同时也会降低天线的性能。一直以来，天线的高增益和低雷达散射截面的性能无法同时满足，已报道的天线都以折中的方式得到综合性能更为优异的天线。

吸波性频率选择表面和频率选择结构来作为天线罩是减少雷达散射截面的有效方式之一，该种方法能够有效地提升作战平台的隐身性能，并且几乎不影响天线的工作性能。吸波性频率选择表面实质上是一种在特定频段具有高损耗特性的空间滤波器，能对特定频段、极化方式以及入射角度等电磁波进行筛选，并且将一定频段内不需要的电磁波进行吸收。因此，基于吸波性频率选择表面研制的天线罩既能够减少单站雷达散射截面，又能够减少双站/多站雷达散射截面，这极大地提升了天线的隐身特性。

目前已报道的带通型吸波性频率选择结构只能缩减天线的单站/双站/多站雷达散射截面，但是无法兼顾天线增益的提升，甚至还会略微降低天线的性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供基于吸波性频率选择结构的高增益低雷达散射截面的空馈阵列天线，该天线采用将吸波性频率选择结构覆盖在天线上方的方式，在低频和高频两个宽频带内实现了高隐身特性，同时在工作频带内提升了天线的增益。这种结构极为简单，原理清晰，易于加工，设计成本低，具有非常大的应用潜力。

本发明的增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线为多层垂直排布结构，从下到上依次包括平面微带天线、无耗频率选择单元阵列和有耗频率选择单元阵列。平面微带天线与无耗频率选择单元阵列间留有第一空气腔，第一空气腔的高度h₁满足范围0.1λ_a～λ_a；无耗频率选择单元阵列与有耗频率选择单元阵列间留有第二空气腔，第二空气腔的高度h₂满足范围0.15λ_a～0.35λ_a，λ_a为天线的中心工作频率所对应的波长。

所述的平面微带天线包括第一介质基片，以及分别印制在第一介质基片上层和下层的第一、第二金属面；第一金属面为开有一缺口的辐射贴片，该缺口引出一馈线与第一介质基片边沿连接；

所述的无耗频率选择单元阵列由周期性分布的若干单元构成，每个单元包括第二介质基片，以及印制在第二介质基片上下层的第三、五金属面；相邻单元的第二介质基片无缝排布；所述的第三金属面与第五金属面尺寸大小相同，但是小于第二介质基片尺寸，且相邻单元间第三、第五金属面间留有缝隙分布；第四金属面设置在第二介质基片的中间，且与第二介质基片尺寸相同，且中心刻蚀有一缝隙，相邻单元间的第四金属面无缝排布；

所述的有耗频率选择单元阵列由周期性分布的若干单元构成，每个单元包括包括第三介质基片，以及分别印制在第三介质基片上下层的第六、第七金属面；所述的第六金属面印制带有交指电容、射频电阻的金属环；所述的第七金属面为电感型金属面；第六、第七金属面通过第一金属化过孔相连。相邻单元间第六、第七金属面间留有缝隙排布。

作为优选，电感型金属面设有四条曲折线金属条；

作为优选，金属环为矩形结构，每边加载有一个交指电容、一个第一射频电阻，且每个交指电容两侧设有第一金属化过孔；第一金属化过孔贯穿第三介质基片，使得第六金属面的金属环与第七金属面的曲折线金属条相连。

有耗频率选择单元阵列采用了上下两层结合金属化过孔方式形成了谐振器，实现了工作频段内的无耗通带。

作为优选，每个无耗频率选择单元上方对应有一个有耗频率选择单元。

第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均为方形且尺寸大小相同，三者中心位于同一直线，该直线与z轴平行。

上述的平面微带天线、无耗频率选择单元阵列和有耗频率选择单元阵列在x，y轴的尺寸相同，它们平行设置且在z轴方向且中心对齐。

具体工作原理：当天线工作时，在工作频带内，覆盖在天线上方的无耗和有耗频率选择单元阵列对信号没有任何影响。由于无耗频率选择单元阵列结构采用接收-耦合-发射的形式，第四金属面缝隙对不同入射角度的电磁波的响应比较敏感。因此由于不同位置的单元接收到的电磁波入射角度不同，导致单元对电磁波的相位补偿不同，斜入射角度越大，相位补偿越多。这使得无耗频率选择单元阵列不但不影响天线的性能，还提升了天线的增益。而当外来电磁波照射到该天线上时，有耗频率选择单元阵列结合无耗频率选择单元阵列，可以将带外电磁波吸收从而大大缩减单站和双站的雷达散射截面，这将大大提升天线的隐身特性。

增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线具有以下优点：

(1)该天线结合频率选择单元阵列形成了空馈阵列天线，并且频率选择阵列的覆盖不但没有影响天线的性能，还大大提升了天线的增益，极大地提升了天线的性能；

(2)有耗频率选择单元阵列覆盖在上方，可以吸收外来的不需要的电磁波，可以大大降低天线的雷达散射截面，这使得天线具有很好的隐身特性，这将为天线应用在电子对抗等军事用途中增加了优势。

(3)该天线增强增益的方式不同于以往的通过不同单元结构补偿不同入射角度的电磁波的相位，充分利用同一单元结构对不同斜入射角度具有不同相移的特性，设计原理清晰，设计结构非常简单，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的平面微带天线的俯视图；

图3是本发明的无耗频率选择单元阵列的俯视图；

图4是本发明的无耗频率选择单元阵列第四金属面的结构示意图；

图5是本发明的有耗频率选择单元阵列的俯视图；

图6是本发明的有耗频率选择单元阵列的仰视图；

图7是本发明的反射系数与参考天线的反射系数仿真对比图；

图8是本发明的增益与参考天线的增益仿真对比图；

图9是本发明的单站雷达散射截面与参考天线的单站雷达散射截面对比图；

图10、图11、图12分别是本发明的双站雷达散射截面与参考天线的双站雷达散射截面分别在频率5GHz、7.5GHz和11GHz的对比图；

图中标记：第一金属面1、第一介质基片2、第二金属面3、第三、第五金属面4、第四金属面5、第二介质基板6、第六金属面7、第一金属化过孔8、第一射频电阻9、第三介质基板10、第七金属面11。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

如图1所示，增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线为多层垂直排布结构，从下到上依次包括平面微带天线、无耗频率选择单元阵列和有耗频率选择单元阵列。平面微带天线与无耗频率选择单元阵列间留有空气腔，无耗频率选择单元阵列与有耗频率选择单元阵列间留有空气腔。

所述的平面微带天线包括第一介质基片2，以及分别印制在第一介质基片上层和下层的第一金属面1、第二金属面3；图2所示第一金属面1为开有一缺口的辐射贴片，该缺口引出一馈线与第一介质基片边沿连接；

如图3、4所示，所述的无耗频率选择单元阵列由4×4共16个相同的单元构成；每个单元包括第二介质基片6，以及印制在第二介质基片6上下层的第三、五金属面；所述的第五金属面与第三金属面4尺寸大小完全相同，但是小于第二介质基片尺寸；第四金属面5设置在第二介质基片6的中间，且与第二介质基片尺寸相同，且中心刻蚀有一缝隙；相邻单元间第三(第五)金属面留有缝隙分布，相邻单元间的第四金属面无缝排布，相邻单元间第二介质基片无缝排布；

如图5、6所示，所述的有耗频率选择单元阵列由4×4共16个相同的单元构成，每个单元包括包括第三介质基片，以及分别印制在第一介质基片上层和下层的第六金属面7、第七金属面11；所述的第六金属面7印制带有交指电容、第一射频电阻的方形金属环；所述的第七金属面11为电感型金属面；第六、第七金属面通过第一金属化过孔8相连。相邻单元间第六、第七金属面无缝分布。

电感型金属面由四条曲折线金属条构成，并位于金属环四条边的正下方；

金属环为矩形结构，每边加载有一个交指电容、一个第一射频电阻9，且每个交指电容两侧设有第一金属化过孔；第一金属化过孔贯穿第三介质基片10，使得第六金属面的金属环与第七金属面的曲折线金属条相连。

每个无耗频率选择单元下方对应有一个有耗频率选择单元。

第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均为方形且尺寸大小相同，三者中心位于同一直线，该直线与z轴平行。

上述的平面微带天线、无耗频率选择单元阵列和有耗频率选择单元阵列在x，y轴的尺寸相同，它们平行设置且在z轴方向中心对齐。

具体结构几何参数如下：

其中b为单元结构在x、y轴方向的长度和宽度，h₁为平面微带天线到无耗频率选择单元阵列的距离，h₂为无耗频率选择单元阵列到有耗频率选择单元阵列的距离。t₁为第一介质基板2的厚度，t₂为第二介质基板6的厚度，t₃为第三介质基板10的厚度。ε_r1为第一介质基板2的介电常数，ε_r2为第二介质基板6的介电常数，ε_r3为第三介质基板10的介电常数。w_p为第一金属面1的辐射面的宽度，l_p为第一金属面的辐射面的长度，l为辐射面到介质板边界的距离，s和d分别为馈线两侧缝隙的宽度和长度，w_f为第一金属面上馈线的宽度。a为第三、第五金属面4上的方形单元的宽度，l_s和w_s分别为第四金属面5上长方形缝隙的长度和宽度。R_a为第一射频电阻9的阻值，d_l为第六金属面7上方环形单元的边长，w_l为方环形单元的线宽，w_c为方环形单元上交指电容的指宽和指间缝隙的宽度，l_c为交指电容的指长。w_l为第七金属面11上的曲折线电感的线宽，s_l为上面的折线间距，l_l为该折线电感的长度。D为第一金属化过孔8的直径。

图7为仿真的参考天线和本设计天线的反射系数对比图。可以看到，没有加无耗和有耗频率选择单元阵列的参考天线的-10dB频带为7.38-7.63GHz，带宽为3.3％，本设计天线依然具有良好的反射系数，-10dB频带为7.36-7.49GHz，带宽为4.4％。图8为本设计天线与参考天线的增益对比，可以看到，本设计天线方向性更高，增益相较于参考天线增加了2.67dB。图9为本设计天线的单站RCS仿真图，可以看到本设计天线在高频和低频均有雷达散射截面的缩减，且高频的雷达散射截面的缩减效果显著。图10、图11、图12分别给出了在低频吸波带(以5GHz为例)、工作频带(7.5GHz)和高频吸波带(以11GHz为例)的双站雷达散射截面的缩减，可以看到本设计天线的双站雷达散射截面缩减效果显著。在5GHz，对TE极化波和TM极化波的雷达散射截面缩减分别达到了14.7dB和16.1dB；在11GHz，对TE极化波和TM极化波的雷达散射截面缩减分别达到了22.4dB和21.4dB；且在工作频带内，对TM极化波的雷达散射截面缩减为6.5dB。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线，其特征在于为多层垂直排布结构，从下到上依次包括平面微带天线、无耗频率选择单元阵列和有耗频率选择单元阵列；平面微带天线与无耗频率选择单元阵列间留有第一空气腔；无耗频率选择单元阵列与有耗频率选择单元阵列间留有第二空气腔；

所述的平面微带天线包括第一介质基片，以及分别印制在第一介质基片上层和下层的第一、第二金属面；第一金属面为开有一缺口的辐射贴片，该缺口引出一馈线；

所述的无耗频率选择单元阵列由周期性分布的若干单元构成，每个单元包括第二介质基片，以及分别印制在第二介质基片上下层的第三、五金属面；第四金属面设置在第二介质基片的中间，且中心刻蚀有一缝隙；

所述的有耗频率选择单元阵列由周期性分布的若干单元构成，每个单元包括第三介质基片，以及分别印制在第三介质基片上下层的第六、第七金属面；所述的第六金属面印制带有交指电容的金属环，金属环上加载了射频电阻；所述的第七金属面为电感型金属面；第六、第七金属面通过第一金属化过孔相连。

2.根据权利要求1所述的增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线，其特征在于第一空气腔的高度h ₁满足范围0.1λ _a ~λ _a ，第二空气腔的高度h ₂满足范围0.15λ _a ~0.35λ _a ，λ _a 为天线的中心工作频率所对应的波长。

3.根据权利要求1所述的增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线，其特征在于所述的第五金属面与第三金属面尺寸大小相同，但是小于第二介质基片尺寸；第四金属面与第二介质基片尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线，其特征在于相邻单元间第三金属面留有缝隙分布，相邻单元间第五金属面留有缝隙分布，相邻单元间第二介质基片无缝分布；相邻单元间第六、第七金属面留有缝隙排布。

5.根据权利要求1所述的增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线，其特征在于电感型金属面设有四条曲折线金属条。

6.根据权利要求5所述的增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线，其特征在于金属环为矩形结构，每边设置有一个交指电容，且每个交指电容两侧各设有一个第一射频电阻和第一金属化过孔；第一金属化过孔贯穿第三介质基片，使得第六金属面的金属环与第七金属面的曲折线金属条相连。

7.根据权利要求1所述的增益增强型低雷达散射截面空馈阵列天线，其特征在于有耗频率选择单元阵列采用了上下两层结合金属化过孔方式形成了谐振器，实现了工作频段内的无耗通带。

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