CN112164874B - 基于数字电磁超表面的低rcs宽带印刷缝隙天线 - Google Patents

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CN112164874B CN202011012054.1A CN202011012054A CN112164874B CN 112164874 B CN112164874 B CN 112164874B CN 202011012054 A CN202011012054 A CN 202011012054A CN 112164874 B CN112164874 B CN 112164874B
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Abstract

提出一种基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线，为矩形薄片结构，自上而下包括超表面金属贴片(01)、超表面介质基板(02)、开缝金属地板(03)、介质基板(04)、馈电金属传输线(05)。通过超表面的数字排列减小天线的RCS，利用超表面和天线的耦合拓展天线工作带宽，由此同时实现了天线的宽带工作和低RCS。本发明的优点为：提出的印刷缝隙天线将超表面和天线结构一体化成形，同时提升了辐射和散射性能，且结构紧凑、简单。

Description

基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线
技术领域
本发明涉及天线设计技术，具体涉及利用数字电磁超表面实现印刷缝隙天线宽带辐射和低RCS性能，更具体地涉及一种基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线。
背景技术
数字电磁超表面是近几年超构表面研究的一个新前沿，它利用不同数字代表不同的超表面单元结构，在一个表面上按照数字的方式对电磁超表面进行排列，通过整个表面上数字的不同排列可以实现对电磁波的空间重构。数字电磁超表面可以实现低RCS、波束扫描等一系列功能，它为设计高性能天线提供了新的技术途径。
缝隙天线是通过在金属结构表面开缝形成的天线。印刷缝隙天线因其低剖面、低成本、轻重量、易于集成和共形等优点，受到广泛关注与应用。传统的印刷缝隙天线其辐射缝隙长度近似为工作频率对应波长的一半，因此，当缝隙尺寸选定后，其工作频率也就随之确定，这也导致其工作频带较窄。另一方面，印刷缝隙天线表面较大的金属面往往对雷达来波形成强散射，所以缝隙天线的雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)很高。目前，还没有公开技术报道，同时实现印刷缝隙天线的宽带辐射和低RCS。
发明内容
为同时解决传统印刷缝隙天线工作频带窄和RCS高的问题，本发明提出一种基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线，可以作为具有隐身性能的天线应用于各类隐身平台。
本发明提供一种基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线，以下简称为“天线”，其为矩形薄片结构，其特征在于，天线自上而下包括超表面金属贴片01、超表面介质基板02、开缝金属地板03、介质基板04、馈电金属传输线05；
以天线的介质基板04下表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系xyz，x轴为天线的水平对称轴，因此x轴和y轴分别与天线相交的两条边平行；
超表面介质基板02为矩形薄片，其长度、宽度分别为天线的长度、宽度；
超表面金属贴片01贴合在超表面介质基板02的上表面，由两种方形金属贴片单元周期紧密排列构成，这两种方形金属贴片单元分别记为“0单元”、“1单元”；将超表面介质基板02的上表面划分为N×M个矩形区域，其中N为行数，M为列数，N、M均为大于1的自然数且至少一个为偶数，每个矩形区域中只放置一个金属贴片单元，“0单元”或“1单元”；0单元和1单元的方形金属贴片都位于各自单元的中部，其中心与各自单元的中心重合，其水平和竖直对称轴分别平行于x轴、y轴，0单元和1单元沿x和y方向的边长相同、但其中的方形金属贴片的边长不同；0单元和1单元的个数及其在超表面介质基板02的上表面的排列方式，以在超表面介质基板02的上表面上，无论0单元还是1单元，均保证沿X轴、Y轴都必须是对称排列的为准；
开缝金属地板03为薄金属板，除矩形缝隙31外，其完全覆盖超表面介质基板02的下表面并与其紧密贴合，因此，开缝金属地板03的长度、宽度与超表面介质基板02相同；矩形缝隙31位于金属地板03的中部，其中心与金属地板03的中心重合，其水平和和竖直对称轴分别与x轴、y轴重合；
介质基板04为矩形薄片，其位于开缝金属地板03的下方，完全覆盖开缝金属地板03并与其紧密贴合，因此，介质基板04的长度、宽度与超表面介质基板02相同；
馈电金属传输线05贴合在介质基板04的下表面，馈电金属传输线05由矩形金属传输线51和扇形金属传输线52构成；矩形金属传输线51为细长结构，其水平对称轴与x轴重合，其右边线在介质基板04的右边线上，也就是矩形金属传输线51向右一直延伸到介质基板04的右边沿；扇形金属传输线52位于矩形金属传输线51的左侧，且与矩形金属传输线51一体化形成，其水平对称轴与x轴重合，扇形的圆心与坐标原点重合。
在本发明的一个实施例中，超表面介质基板02、开缝金属地板03和介质基板04沿x轴方向的边长在50.0-80.0mm范围内；超表面介质基板02、开缝金属地板03和介质基板04沿y轴方向的边长在50.0-80.0mm范围内；超表面金属贴片01的0单元和1单元沿x方向的边长px在10.0-20.0mm范围内，沿y方向的边长py在10.0-20.0mm范围内；0单元的方形金属片边长在0.5-15.0mm范围内；1单元的方形金属片边长在0.5-15.0mm范围内；矩形缝隙31沿x轴方向的边长sx在15.0-59.0mm范围内；矩形缝隙31沿y轴方向的边长sy在1.0-10.0mm范围内；矩形金属传输线51沿x轴方向的边长在30.0-40.0mm范围内；矩形金属传输线51沿y轴方向的边长在1.0-10.0mm范围内；扇形金属传输线52的半径在10.0-29.0mm范围内；扇形金属传输线52的扇形张角在30°-270°范围内。
在本发明的一个具体实施例中，超表面介质基板02、开缝金属地板03和介质基板04沿x轴方向的边长为60.0mm；超表面介质基板02、开缝金属地板03和介质基板04沿y轴方向的边长为60.0mm；超表面金属贴片01的1单元沿x方向的边长px为15.0mm，沿y方向的边长py为15.0mm；0单元的方形金属片边长为10.15mm；1单元的方形金属片边长为14.5mm。
在本发明的一个实施例中，矩形缝隙31沿x轴方向的边长sx在15.0-59.0mm范围内；矩形缝隙31沿y轴方向的边长sy在1.0-10.0mm范围内；矩形金属传输线51沿x轴方向的边长在30.0-40.0mm范围内；矩形金属传输线51沿y轴方向的边长在1.0-10.0mm范围内；扇形金属传输线52的半径在10.0-29.0mm范围内；扇形金属传输线52的扇形张角在60°-360°范围内。
在本发明的一个具体实施例中，矩形缝隙31沿x轴方向的边长为40.0mm；矩形缝隙31沿y轴方向的边长为4.8mm；矩形金属传输线51沿x轴方向的边长为34.0mm；矩形金属传输线51沿y轴方向的边长为6.0mm。
在本发明的一个实施例中，扇形金属传输线52的半径在10.0-29.0mm范围内；扇形金属传输线52的扇形张角在60°-360°范围内。
在本发明的一个具体实施例中，扇形金属传输线52的半径为23.5mm；扇形金属传输线52的扇形张角为120°。
在本发明的一个实施例中，超表面介质基板02的厚度在1.5-4.0mm范围内；介质基板04的厚度在0.5-3.0mm范围内；超表面金属贴片01、开缝金属地板03和馈电金属传输线05的金属厚度范围为0.01-0.1mm。
在本发明的一个具体实施例中，以数字“0”代表0单元，以数字“1”代表1单元，所述低RCS宽带印刷缝隙天线的超表面介质基板02，其上表面的两种方形金属贴片单元从左到右、从上到下依次为0000/1111/1111/0000。
在本发明的另一个具体实施例中，以数字“0”代表0单元，以数字“1”代表1单元，所述低RCS宽带印刷缝隙天线的超表面介质基板02，其上表面的两种方形金属贴片单元从左到右、从上到下依次为0110/0110/0110/0110。
本发明的优点在于：
1.本发明低RCS宽带印刷缝隙天线，通过超表面的数字排列减小天线的RCS，利用超表面和天线的耦合拓展工作带宽，同时实现了天线的宽带工作和低RCS；
2.本发明提出基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线，具有结构简单、剖面低、成本低、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为本发明低RCS宽带印刷缝隙天线结构示意图，图1(a)为正视图，图1(b)、图1(c)、图1(d)为不同金属层的俯视图；图中用虚线描述了部件的对应关系；
图2为本发明低RCS宽带印刷缝隙天线的电磁超表面数字分布示意图；
图3为本发明低RCS宽带印刷缝隙天线和传统天线的反射系数随频率变化对比曲线图；
图4为本发明低RCS宽带印刷缝隙天线和传统天线的单站RCS随频率变化对比曲线图；
附图标记：01超表面金属贴片、02超表面介质基板、03开缝金属地板、04介质基板、05馈电金属传输线、31矩形缝隙、51矩形金属传输线、52扇形金属传输线。
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基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线及其设计方法，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数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线(以下简称为“本发明天线”)，其为矩形薄片结构。本发明天线自上而下包括超表面金属贴片01、超表面介质基板02、开缝金属地板03、介质基板04、馈电金属传输线05。
以本发明天线04下表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系xyz，在图1(b)、图1(c)、图1(d)的俯视图中，x轴为水平轴，y轴为纵轴，x轴为本发明天线的水平对称轴，因此x轴和y轴分别与本发明天线相交的两条边平行。
超表面介质基板02为矩形薄片，其长度、宽度分别为本发明天线的长度、宽度。
超表面金属贴片01贴合在超表面介质基板02的上表面，由两种方形金属贴片单元周期紧密排列构成，这两种方形金属贴片单元分别记为“0单元”、“1单元”。将超表面介质基板02的上表面划分为N×M个矩形区域，其中N为行数，M为列数，N、M均为大于1的自然数且至少一个为偶数，每个矩形区域中只布置一个金属贴片单元，“0单元”或“1单元”。0单元和1单元的方形金属贴片都位于各自单元的中部，其中心与各自单元的中心重合，其水平和竖直对称轴分别平行于x轴、y轴，0单元和1单元沿x和y方向的边长(周期)相同、但方形金属贴片边长不同，例如，“1单元”金属片边长大于“0单元”金属片边长。以数字“0”代表0单元，以数字“1”代表1单元，0单元和1单元的个数及其在超表面介质基板02的上表面的排列方式例如可用图2描述，即从左到右、从上到下依次为0000/1111/1111/0000，也可以从左到右、从上到下依次为0110/0110/0110/0110。0单元和1单元的个数及其在超表面介质基板02的上表面的排列方式，以在超表面介质基板02的上表面上，无论0单元还是1单元，均保证沿X轴、Y轴都必须是对称排列的为准。也就是说：0单元沿X轴、Y轴必须是对称排列的，1单元沿X轴、Y轴必须是对称排列的。
开缝金属地板03为薄金属板，除矩形缝隙31外，其完全覆盖超表面介质基板02的下表面并与其紧密贴合，因此，开缝金属地板03的长度、宽度与超表面介质基板02相同。矩形缝隙31位于金属地板03的中部，其中心与金属地板03的中心重合，其水平和和竖直对称轴分别与x轴、y轴重合。
介质基板04为矩形薄片，其位于开缝金属地板03的下方，完全覆盖开缝金属地板03并与其紧密贴合，因此，介质基板04的长度、宽度与超表面介质基板02相同。
馈电金属传输线05贴合在介质基板04的下表面，馈电金属传输线05由矩形金属传输线51和扇形金属传输线52构成。矩形金属传输线51为细长结构，其水平对称轴与x轴重合，其右边线在介质基板04的右边线上，也就是矩形金属传输线51向右一直延伸到介质基板04的右边沿。扇形金属传输线52位于矩形金属传输线51的左侧，且与矩形金属传输线51一体化形成，其水平对称轴与x轴重合，扇形的圆心与坐标原点重合。
基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线的具体尺寸如下：结合图1所示，超表面介质基板02、开缝金属地板03和介质基板04沿x轴方向的边长在50.0-80.0mm范围内，优选值为60.0mm；超表面介质基板02、开缝金属地板03和介质基板04沿y轴方向的边长在50.0-80.0mm范围内，优选值为60.0mm；超表面金属贴片01的0单元和1单元沿x方向的边长(周期)px在10.0-20.0mm范围内，优选值为15.0mm，沿y方向的边长(周期)py在10.0-20.0mm范围内，优选值为15.0mm；0单元的方形金属片边长在0.5-15.0mm范围内取值，优选值为10.15mm；1单元的方形金属片边长在0.5-15.0mm范围内取值，优选值为14.5mm。结合图1(c)，矩形缝隙31沿x轴方向的边长sx在15.0-59.0mm范围内，优选值为40.0mm；矩形缝隙31沿y轴方向的边长sy在1.0-10.0mm范围内，优选值为4.8mm。结合图1(d)，矩形金属传输线51沿x轴方向的边长在30.0-40.0mm范围内，优选值为34.0mm；矩形金属传输线51沿y轴方向的边长在1.0-10.0mm范围内，优选值为6.0mm；扇形金属传输线52的半径在10.0-29.0mm范围内，优选值为23.5mm；扇形金属传输线52的扇形张角在30°-270°范围内，优选值为120°。
结合图1所示，在本实施例中，超表面介质基板02的厚度在1.5-4.0mm范围内，优选值为3.25mm，其介电常数在2.0-3.6范围内，优选值为3.55；介质基板04的厚度在0.5-3.0mm范围内，优选值为0.813mm，其介电常数在2.0-3.6范围内，优选值为3.55；超表面金属贴片01、开缝金属地板03和馈电金属传输线05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对本发明所述基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线(简称为“本发明天线”)进行了仿真。为了便于比较，同时对去掉超表面金属贴片01的传统天线也进行了仿真。图3对比给出了仿真得到两天线的反射系数随频率变化结果，可以看出，传统天线的工作带宽为6.1％；而本发明天线的工作带宽为22.3％，本发明天线的带宽较传统天线有明显提高。图4对比给出了仿真得到两天线在x极化和y极化平面波垂直照射下的单站RCS，从图中可以看出，对于x极化平面波，本发明天线在3.3GHz-6.2GHz较传统天线有明显的RCS减缩；对于y极化平面波，本发明天线在2.0GHz-4.3GHz和5.0GHz-8.0GHz较传统天线有明显的RCS减缩；综合这些结果表明，本发明提出的基于数字电磁超表面的印刷缝隙天线具有宽带辐射和低RCS的效果。

Claims (10)

1.基于数字电磁超表面的低RCS宽带印刷缝隙天线，以下简称为“天线”，其为矩形薄片结构，其特征在于，天线自上而下包括超表面金属贴片(01)、超表面介质基板(02)、开缝金属地板(03)、介质基板(04)、馈电金属传输线(05)；
以天线的介质基板(04)下表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系xyz，x轴为天线的水平对称轴，因此x轴和y轴分别与天线相交的两条边平行；
超表面介质基板(02)为矩形薄片，其长度、宽度分别为天线的长度、宽度；
超表面金属贴片(01)贴合在超表面介质基板(02)的上表面，由两种方形金属贴片单元周期紧密排列构成，这两种方形金属贴片单元分别记为“0单元”、“1单元”；将超表面介质基板(02)的上表面划分为N×M个矩形区域，其中N为行数，M为列数，N、M均为大于1的自然数且至少一个为偶数，每个矩形区域中只放置一个金属贴片单元，“0单元”或“1单元”；0单元和1单元的方形金属贴片都位于各自单元的中部，其中心与各自单元的中心重合，其水平和竖直对称轴分别平行于x轴、y轴，0单元和1单元沿x和y方向的边长相同、但其中的方形金属贴片的边长不同；0单元和1单元的个数及其在超表面介质基板(02)的上表面的排列方式，以在超表面介质基板(02)的上表面上，无论0单元还是1单元，均保证沿X轴、Y轴都必须是对称排列的为准；
开缝金属地板(03)为薄金属板，除矩形缝隙(31)外，其完全覆盖超表面介质基板(02)的下表面并与其紧密贴合，因此，开缝金属地板(03)的长度、宽度与超表面介质基板(02)相同；矩形缝隙(31)位于金属地板(03)的中部，其中心与金属地板(03)的中心重合，其水平和竖直对称轴分别与x轴、y轴重合；
介质基板(04)为矩形薄片，其位于开缝金属地板(03)的下方，完全覆盖开缝金属地板(03)并与其紧密贴合，因此，介质基板(04)的长度、宽度与超表面介质基板(02)相同；
馈电金属传输线(05)贴合在介质基板(04)的下表面，馈电金属传输线(05)由矩形金属传输线(51)和扇形金属传输线(52)构成；矩形金属传输线(51)为细长结构，其水平对称轴与x轴重合，其右边线在介质基板(04)的右边线上，也就是矩形金属传输线(51)向右一直延伸到介质基板(04)的右边沿；扇形金属传输线(52)位于矩形金属传输线(51)的左侧，且与矩形金属传输线(51)一体化形成，其水平对称轴与x轴重合，扇形的圆心与坐标原点重合。
2.如权利要求1所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，超表面介质基板(02)、开缝金属地板(03)和介质基板(04)沿x轴方向的边长在50.0-80.0mm范围内；超表面介质基板(02)、开缝金属地板(03)和介质基板(04)沿y轴方向的边长在50.0-80.0mm范围内；超表面金属贴片(01)的0单元和1单元沿x方向的边长px在10.0-20.0mm范围内，沿y方向的边长py在10.0-20.0mm范围内；0单元的方形金属片边长在0.5-15.0mm范围内；1单元的方形金属片边长在0.5-15.0mm范围内；矩形缝隙(31)沿x轴方向的边长sx在15.0-59.0mm范围内；矩形缝隙(31)沿y轴方向的边长sy在1.0-10.0mm范围内；矩形金属传输线(51)沿x轴方向的边长在30.0-40.0mm范围内；矩形金属传输线(51)沿y轴方向的边长在1.0-10.0mm范围内；扇形金属传输线(52)的半径在10.0-29.0mm范围内；扇形金属传输线(52)的扇形张角在30°-270°范围内。
3.如权利要求2所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，超表面介质基板(02)、开缝金属地板(03)和介质基板(04)沿x轴方向的边长为60.0mm；超表面介质基板(02)、开缝金属地板(03)和介质基板(04)沿y轴方向的边长为60.0mm；超表面金属贴片(01)的1单元沿x方向的边长px为15.0mm，沿y方向的边长py为15.0mm；0单元的方形金属片边长为10.15mm；1单元的方形金属片边长为14.5mm。
4.如权利要求1所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，矩形缝隙(31)沿x轴方向的边长sx在15.0-59.0mm范围内；矩形缝隙(31)沿y轴方向的边长sy在1.0-10.0mm范围内；矩形金属传输线(51)沿x轴方向的边长在30.0-40.0mm范围内；矩形金属传输线(51)沿y轴方向的边长在1.0-10.0mm范围内；扇形金属传输线(52)的半径在10.0-29.0mm范围内；扇形金属传输线(52)的扇形张角在60°-360°范围内。
5.如权利要求4所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，矩形缝隙(31)沿x轴方向的边长为40.0mm；矩形缝隙(31)沿y轴方向的边长为4.8mm；矩形金属传输线(51)沿x轴方向的边长为34.0mm；矩形金属传输线(51)沿y轴方向的边长为6.0mm。
6.如权利要求4所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，扇形金属传输线(52)的半径在10.0-29.0mm范围内；扇形金属传输线(52)的扇形张角在60°-360°范围内。
7.如权利要求6所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，扇形金属传输线(52)的半径为23.5mm；扇形金属传输线(52)的扇形张角为120°。
8.如权利要求1所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，超表面介质基板(02)的厚度在1.5-4.0mm范围内；介质基板(04)的厚度在0.5-3.0mm范围内；超表面金属贴片(01)、开缝金属地板(03)和馈电金属传输线(05)的金属厚度范围为0.01-0.1mm。
9.如权利要求1至8的任何一项所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，以数字“0”代表0单元，以数字“1”代表1单元，所述低RCS宽带印刷缝隙天线的超表面介质基板(02)，其上表面的两种方形金属贴片单元从左到右、从上到下依次为0000/1111/1111/0000。
10.如权利要求1至8的任何一项所述的低RCS宽带印刷缝隙天线，其特征在于，以数字“0”代表0单元，以数字“1”代表1单元，所述低RCS宽带印刷缝隙天线的超表面介质基板(02)，其上表面的两种方形金属贴片单元从左到右、从上到下依次为0110/0110/0110/0110。
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