CN112164873A - 基于微带线枝节加载的微带天线单元及其构成低rcs微带阵列天线的方法 - Google Patents

基于微带线枝节加载的微带天线单元及其构成低rcs微带阵列天线的方法 Download PDF

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Abstract

提出一种基于微带线枝节加载的微带天线单元，为矩形薄片结构，自上而下包括金属辐射贴片1、介质基板2、金属地板3，自上而下贯穿单元的馈电探针孔4；该单元在传统微带天线的平行的两条边中心加载微带线枝节，将该单元周期排列构成微带阵列天线，对阵列中的所有单元选用两种微带线枝节长度，且两种微带线枝节长度对应的单元数量接近或相等，经过优化，即可得到低RCS微带阵列天线。还提供一种利用天线单元构成低RCS微带阵列天线的方法，根据该方法设计的微带阵列天线RCS较低，且结构简单、紧凑，易于实现、成本低。

Description

基于微带线枝节加载的微带天线单元及其构成低RCS微带阵 列天线的方法
技术领域
本发明涉及微带天线设计技术，具体涉及利用新型微带天线单元结构实现低RCS微带阵列天线。
背景技术
微带天线具有结构超薄、超轻、成本低、易于集成的优点，在飞行器等很多平台上应用非常广泛。将微带单元天线组成阵列，可以获得高增益性能。因此，在远距离通信系统中，微带阵列天线一直非常受欢迎。而随着电子对抗技术的发展，传统的微带阵列天线在使用中也暴露出一些不足，其中比较突出的一项就是隐身性能较差。
目前，许多学者研究过如何减小表征微带阵列天线隐身性能的雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)，如通过额外加载超表面将雷达照射能量吸收或散射到其他方向等。尽管这些方法可以有效降低RCS，但也存在诸如天线结构复杂、体积增大、设计过程繁琐等问题。
发明内容
为解决传统微带阵列天线雷达散射截面积RCS较高的问题，本发明提出一种基于微带线枝节加载的新型微带天线单元，并用其组成阵列，得到一种低RCS微带阵列天线，可以作为具有隐身性能的天线应用于各类隐身平台。
本发明基于微带线枝节加载的微带天线单元，以下简称为“单元”，其特征在于，是矩形薄片结构，所述单元自上而下包括金属辐射贴片1、介质基板2、金属地板3，自上而下贯穿单元的馈电探针孔4；
以单元上表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系xyz，x轴为水平轴，y轴为纵轴，x轴、y轴分别为单元的水平对称轴和竖直对称轴，因此x轴和y轴分别与单元相交的两条边平行；
介质基板2为矩形薄片，其长度、宽度分别为单元的长度、宽度；
金属辐射贴片1贴合在介质基板2的上表面，由矩形金属片10、左微带线枝节11和右微带线枝节12组成，左微带线枝节11和右微带线枝节12均为微带线枝节；矩形金属片10位于介质基板2上表面的中部，其中心与介质基板2的中心重合，其水平和竖直对称轴分别与x轴、y轴重合；左微带线枝节11位于矩形金属片10左侧，其水平对称轴与x轴重合；右微带线枝节12位于矩形金属片10右侧，其水平对称轴亦与x轴重合；右微带线枝节12与左微带线枝节11的大小和形状相同，且关于y轴对称；金属辐射贴片1在前、后、左、右四个方向上的边沿，都与介质基板2的相应边沿保持一定距离；
金属地板3为薄金属板，其完全覆盖介质基板2的下表面并与其紧密贴合；
馈电探针孔4与单元上表面相垂直地穿过单元，馈电探针孔4的中心位于y轴负半轴，且距离原点O存在一定距离，并继续自上而下穿透单元；馈电探针孔4仅与矩形金属片10电连接；与金属地板3不接触，保持绝缘。
在本发明的一个实施例中，介质基板2和金属地板3沿x轴方向的边长ax在40.0-75.0mm范围内；介质基板2和金属地板3沿y轴方向的边长ay在40.0-75.0mm范围内；矩形金属片10沿x轴方向的边长w在20.0-30.0mm范围内；矩形金属片10沿y轴方向的边长l在25.0-35.0mm范围内。
在本发明的一个具体实施例中，介质基板2和金属地板3沿x轴方向的边长ax为50.0mm；介质基板2和金属地板3沿y轴方向的边长ay为50.0mm；矩形金属片10沿x轴方向的边长w为24.0mm；矩形金属片10沿y轴方向的边长l为29.0mm。
在本发明的另一个实施例中，馈电探针孔4为圆柱形过孔，其横截面半径在0.5-1.0mm范围内，馈电探针孔4的中心位于y轴负半轴或正半轴，且距离原点O在2.0-10.0mm范围内；介质基板2的厚度在2.5-4.0mm范围内；金属贴片1和金属地板3的金属厚度范围为0.01-0.1mm。
在本发明的另一个具体实施例中，馈电探针孔4的横截面半径为0.55mm，馈电探针孔4距离原点O为5.0mm；介质基板2的厚度为3.0mm，其介电常数在2.0-3.6范围内；金属贴片1和金属地板3的金属厚度范围为0.035mm。
还提供一种利用上述微带天线单元构成低RCS微带阵列天线的方法，以下将“低RCS微带阵列天线”简称为“阵列天线”，其特征在于，
第一步：将上述单元进行排列，构成阵列天线；所述阵列天线包括沿所述x轴、y轴的方向整齐排列的A×B个单元，A为1或偶数，B为1或偶数，A、B数量根据需要确定；
第二步：通过调整各单元中左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度和/或宽度，得到低RCS微带阵列天线。
在本发明的一个实施例中，
第一步：将上述单元进行周期排列，构成阵列天线；所述阵列天线包括沿所述x轴、y轴的方向整齐排列的A×B个单元，A为1或偶数，B为1或偶数，A、B数量根据需要确定；阵列天线所含单元数必须是偶数2N，N为非零自然数；
第二步，对第一步中得到的阵列天线，进行单元划分，将2N个单元划分为第一份N个单元，和第二份N个单元，保证第一份N个单元中各单元完全相同，第二份N个单元中各单元完全相同；但第一份N个单元的左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度和/或宽度，不同于第二份N个单元的左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度和/或宽度；并且，第一份N个单元和第二份N个单元的各单元位置随机，最终以仿真效果最佳为准；
第三步：用雷达波照射所述阵列天线，采用电磁仿真计算阵列天线的RCS，通过调整第一份N个单元、第二份N个单元中左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度，得到低RCS微带阵列天线。
在本发明的一个具体实施例中，
第一步：A、B均为偶数；
第二步：对所述阵列天线，沿过阵列天线口面中心且过阵列边缘中心的两条正交的对称轴，将阵列天线划分为4个面积相等的区域，包括左上角区域①、右上角区域②、右下角区域③、左下角区域④，将左上角区域①、右下角区域③设定为第一份N个单元，将右上角区域②、左下角区域④设定为第二份N个单元；同时改变第一份N个单元或第二份N个单元区域内单元中左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度，对二者的长度进行相等的加长或缩短处理；
第三步：用雷达波照射所述阵列天线，采用电磁仿真计算阵列天线的RCS，通过调整左上角区域①、右上角区域②、右下角区域③、左下角区域④中左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度，得到低RCS微带阵列天线。
在本发明的另一个实施例中，区域①和区域③中的单元尺寸完全相同，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl在5.0-13.0mm范围内，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw在2.5-4.0mm范围内；区域②和区域④中的单元尺寸完全相同，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl在5.0-13.0mm范围内，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw在2.5-4.0mm范围内。
在本发明的另一个具体实施例中，区域①和区域③中，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl为9.5mm，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw为3.0mm；区域②和区域④中，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl为6.0mm，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw为3.0mm。
本发明的优点在于：
1.本发明在传统微带天线单元上加载微带线枝节，通过控制微带线枝节的长度控制雷达波反射的相位，对阵列中的不同单元选用不同的微带线枝节长度，降低微带阵列天线的RCS；
2.本发明提出的低RCS微带阵列天线，结构简单、紧凑，具有易于实现、低成本、应用前景广阔的特点。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点，结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明新型微带天线单元结构示意图，图1(a)为俯视图，图1(b)为正视图；图中用虚线描述了部件的对应关系；
图2为本发明一种低RCS微带阵列天线结构正视示意图；
图3为本发明一种低RCS微带阵列天线的单站RCS随频率变化曲线图；
附图标记：1金属辐射贴片、2介质基板、3金属地板、4馈电探针、10矩形金属片、11左微带线枝节、12右微带线枝节；①阵列天线第1子区域、②阵列天线第2子区域、③阵列天线第3子区域、④阵列天线第4子区域。
具体实施方式
下面通过详细描述一个实施例具体阐述本发明提出的一种低RCS微带阵列天线及其设计方法，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同的标号表示相同的含义。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明实施例中提出的基于微带线枝节加载的微带天线单元(以下简称为“单元”)，其为矩形薄片结构。该单元自上而下包括金属辐射贴片1、介质基板2、金属地板3，馈电探针孔4自上而下贯穿单元。
以单元上表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系xyz，在图1(a)的俯视图中，x轴为水平轴，y轴为纵轴，x轴、y轴分别为单元的水平对称轴和竖直对称轴，因此x轴和y轴分别与单元相交的两条边平行。
介质基板2为矩形薄片，其长度、宽度分别为单元的长度、宽度；
金属辐射贴片1贴合在介质基板2的上表面，由矩形金属片10、左微带线枝节11和右微带线枝节12组成，左微带线枝节11和右微带线枝节12均为微带线枝节。矩形金属片10位于介质基板2上表面的中部，其中心与介质基板2的中心重合，其水平和竖直对称轴分别与x轴、y轴重合。左微带线枝节11位于矩形金属片10左侧，其水平对称轴与x轴重合；右微带线枝节12位于矩形金属片10右侧，其水平对称轴亦与x轴重合；右微带线枝节12与左微带线枝节11的大小和形状相同，且关于y轴对称；右微带线枝节12、左微带线枝节11与矩形金属片10一体化形成。金属辐射贴片1在前、后、左、右四个方向上的边沿，都与介质基板2的相应边沿保持一定距离。
金属地板3为薄金属板，其完全覆盖介质基板2的下表面并与其紧密贴合。
为了对单元进行馈电，同轴电缆的圆柱形金属馈电探针插入馈电探针孔4，馈电探针孔4与单元上表面相垂直地穿过单元，馈电探针孔4的中心位于y轴负半轴(从图中看，馈电探针孔4的中心位于单元上表面的下半部分)，且距离原点O存在一定距离，并继续自上而下穿透单元，同轴电缆的圆柱形金属馈电探针将从金属地板3的下表面穿出。馈电探针孔4仅与矩形金属片10电连接；与金属地板3不接触，保持绝缘。
由上述单元构成本发明的低RCS微带阵列天线(以下简称为“阵列天线”)，方法如下：
第一步，将上述天线单元周期排列，构成阵列天线。该周期排列包括沿上述x轴、y轴的方向进行整齐地排列，根据需要确定阵列大小，阵列中所含单元数必须是偶数2N，N为非零自然数。在本发明的一个具体实施例中，阵列天线如图2所示，包含单元数量为6×6。排列成阵列的方法为本领域技术人员熟知，不再累述。
第二步，对第一步中得到的阵列天线，进行单元划分，将2N个单元划分为第一份N个单元，和第二份N个单元，保证第一份N个单元中各单元完全相同，第二份N个单元中各单元完全相同，但第一份N个单元、第二份N个单元中的各单元，其左微带线枝节11和右微带线枝节12的尺寸(即左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度、宽度)可以不同；并且，第一份N个单元和第二份N个单元的各单元位置随机，最终以仿真效果最佳为准。例如，在本发明的一个实施例中，沿过阵列天线口面中心且过阵列边缘中心的两条正交的对称轴，将阵列天线划分为4个面积相等的区域，在其中两个区域内，同时改变这两个区域内单元中左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度，对二者的长度进行相等的加长或缩短处理。如图2所示，在本发明的上述具体实施例中，将该阵列天线按顺时针划分为四个由3×3个单元构成的区域：左上角区域①、右上角区域②、右下角区域③、左下角区域④，保持左上角区域①和右下角区域③中的单元尺寸不变，同时相同地缩短右上角区域②和左下角区域④中单元的左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度。
第三步，用雷达波照射第一步中得到的阵列天线，采用电磁仿真计算阵列天线的RCS，通过调整左上角区域①、右上角区域②、右下角区域③、左下角区域④中左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度，即可得到低RCS微带阵列天线。
需要说明的是，在本发明的上述具体实施例中，阵列天线采用的单元数量为6×6，但并不局限于该数量，可根据实际情况，增加或减少单元的数量。
上述所述低RCS微带阵列天线的单元具体尺寸如下：结合图1所示，介质基板2和金属地板3沿x轴方向的边长ax在40.0-75.0mm范围内，优选值为50.0mm；介质基板2和金属地板3沿y轴方向的边长ay在40.0-75.0mm范围内，优选值为50.0mm。矩形金属片10沿x轴方向的边长w在20.0-30.0mm范围内，优选值为24.0mm；矩形金属片10沿y轴方向的边长l在25.0-35.0mm范围内，优选值为29.0mm。结合图1和图2，区域①和区域③中的单元尺寸完全相同，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl在5.0-13.0mm范围内，优选值为9.5mm，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw在2.5-4.0mm范围内，优选值为3.0mm。区域②和区域④中的单元尺寸完全相同，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl在5.0-13.0mm范围内，优选值为6.0mm，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw在2.5-4.0mm范围内，优选值为3.0mm。在区域①、区域②、区域③、区域④内的每个单元中，右微带线枝节12和左微带线枝节11的尺寸完全相同，对称地布置在矩形金属片10的左右两侧。
馈电探针孔4为圆形过孔，其半径在0.5-1.0mm范围内，优选值为0.55mm，结合图1所示，在本实施例中，馈电探针孔4的中心位于y轴负半轴，且距离原点O在2.0-10.0mm范围内，优选值为5.0mm。介质基板2的厚度在2.5-4.0mm范围内，优选值为3.0mm，其介电常数在2.0-3.6范围内，优选值为2.65；金属贴片1和金属地板3的金属厚度范围为0.01-0.1mm，优选值为0.035mm，可以采用铜、银和铝等常规导电材料或其他导电材料。
采用商用三维全波电磁仿真软件Ansoft HFSS14对本发明所述低RCS微带阵列天线进行了仿真。图3给出了仿真得到的阵列天线在x极化和y极化平面波垂直照射下的单站RCS。图3中，加载枝节后的阵列天线即为本发明所述低RCS微带阵列天线，加载枝节前的阵列天线即为对本发明所述低RCS微带阵列天线去掉所有单元的微带线枝节11和微带线枝节12后得到的阵列天线。从图3可以看出，对于x极化平面波，本发明提出的阵列天线在2.8GHz-3.2GHz较加载枝节前的阵列天线有明显的RCS减缩，表明本发明提出的阵列天线对x极化和y极化的平面波都有较低的RCS。

Claims (10)

1.基于微带线枝节加载的微带天线单元，以下简称为“单元”，其特征在于，是矩形薄片结构，所述单元自上而下包括金属辐射贴片1、介质基板2、金属地板3，自上而下贯穿单元的馈电探针孔4；
以单元上表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系xyz，x轴为水平轴，y轴为纵轴，x轴、y轴分别为单元的水平对称轴和竖直对称轴，因此x轴和y轴分别与单元相交的两条边平行；
介质基板2为矩形薄片，其长度、宽度分别为单元的长度、宽度；
金属辐射贴片1贴合在介质基板2的上表面，由矩形金属片10、左微带线枝节11和右微带线枝节12组成，左微带线枝节11和右微带线枝节12均为微带线枝节；矩形金属片10位于介质基板2上表面的中部，其中心与介质基板2的中心重合，其水平和竖直对称轴分别与x轴、y轴重合；左微带线枝节11位于矩形金属片10左侧，其水平对称轴与x轴重合；右微带线枝节12位于矩形金属片10右侧，其水平对称轴亦与x轴重合；右微带线枝节12与左微带线枝节11的大小和形状相同，且关于y轴对称；金属辐射贴片1在前、后、左、右四个方向上的边沿，都与介质基板2的相应边沿保持一定距离；
金属地板3为薄金属板，其完全覆盖介质基板2的下表面并与其紧密贴合；
馈电探针孔4与单元上表面相垂直地穿过单元，馈电探针孔4的中心位于y轴负半轴，且距离原点O存在一定距离，并继续自上而下穿透单元；馈电探针孔4仅与矩形金属片10电连接；与金属地板3不接触，保持绝缘。
2.如权利要求1所述的微带天线单元，其特征在于，介质基板2和金属地板3沿x轴方向的边长ax在40.0-75.0mm范围内；介质基板2和金属地板3沿y轴方向的边长ay在40.0-75.0mm范围内；矩形金属片10沿x轴方向的边长w在20.0-30.0mm范围内；矩形金属片10沿y轴方向的边长l在25.0-35.0mm范围内。
3.如权利要求2所述的微带天线单元，其特征在于，介质基板2和金属地板3沿x轴方向的边长ax为50.0mm；介质基板2和金属地板3沿y轴方向的边长ay为50.0mm；矩形金属片10沿x轴方向的边长w为24.0mm；矩形金属片10沿y轴方向的边长l为29.0mm。
4.如权利要求1所述的微带天线单元，其特征在于，馈电探针孔4为圆柱形过孔，其横截面半径在0.5-1.0mm范围内，馈电探针孔4的中心位于y轴负半轴或正半轴，且距离原点O在2.0-10.0mm范围内；介质基板2的厚度在2.5-4.0mm范围内；金属贴片1和金属地板3的金属厚度范围为0.01-0.1mm。
5.如权利要求4所述的微带天线单元，其特征在于，馈电探针孔4的横截面半径为0.55mm，馈电探针孔4距离原点O为5.0mm；介质基板2的厚度为3.0mm，其介电常数在2.0-3.6范围内；金属贴片1和金属地板3的金属厚度范围为0.035mm。
6.一种利用权利要求1至5的任何一项所述的微带天线单元构成低RCS微带阵列天线的方法，以下将“低RCS微带阵列天线”简称为“阵列天线”，其特征在于，
第一步：将上述单元进行排列，构成阵列天线；所述阵列天线包括沿所述x轴、y轴的方向整齐排列的A×B个单元，A为1或偶数，B为1或偶数，A、B数量根据需要确定；
第二步：通过调整各单元中左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度和/或宽度，得到低RCS微带阵列天线。
7.一种利用权利要求1至5的任何一项所述的微带天线单元构成低RCS微带阵列天线的方法，以下将“低RCS微带阵列天线”简称为“阵列天线”，其特征在于，
第一步：将上述单元进行周期排列，构成阵列天线；所述阵列天线包括沿所述x轴、y轴的方向整齐排列的A×B个单元，A为1或偶数，B为1或偶数，A、B数量根据需要确定；阵列天线所含单元数必须是偶数2N，N为非零自然数；
第二步，对第一步中得到的阵列天线，进行单元划分，将2N个单元划分为第一份N个单元，和第二份N个单元，保证第一份N个单元中各单元完全相同，第二份N个单元中各单元完全相同；但第一份N个单元的左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度和/或宽度，不同于第二份N个单元的左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度和/或宽度；并且，第一份N个单元和第二份N个单元的各单元位置随机，最终以仿真效果最佳为准；
第三步：用雷达波照射所述阵列天线，采用电磁仿真计算阵列天线的RCS，通过调整第一份N个单元、第二份N个单元中左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度，得到低RCS微带阵列天线。
8.如权利要求7所述的构成低RCS微带阵列天线的方法，其特征在于，
第一步：A、B均为偶数；
第二步：对所述阵列天线，沿过阵列天线口面中心且过阵列边缘中心的两条正交的对称轴，将阵列天线划分为4个面积相等的区域，包括左上角区域①、右上角区域②、右下角区域③、左下角区域④，将左上角区域①、右下角区域③设定为第一份N个单元，将右上角区域②、左下角区域④设定为第二份N个单元；同时改变第一份N个单元或第二份N个单元区域内单元中左微带线枝节11和右微带线枝节12的长度，对二者的长度进行相等的加长或缩短处理；
第三步：用雷达波照射所述阵列天线，采用电磁仿真计算阵列天线的RCS，通过调整左上角区域①、右上角区域②、右下角区域③、左下角区域④中左微带线枝节11、右微带线枝节12的长度，得到低RCS微带阵列天线。
9.如权利要求8所述的微带天线单元，其特征在于，区域①和区域③中的单元尺寸完全相同，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl在5.0-13.0mm范围内，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw在2.5-4.0mm范围内；区域②和区域④中的单元尺寸完全相同，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl在5.0-13.0mm范围内，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw在2.5-4.0mm范围内。
10.如权利要求9所述的微带天线单元，其特征在于，区域①和区域③中，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl为9.5mm，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw为3.0mm；区域②和区域④中，每个单元中的左微带线枝节11沿x轴方向的边长sl为6.0mm，左微带线枝节11沿y轴方向的边长sw为3.0mm。
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