CN113013607B - 低剖面低rcs法布里-珀罗谐振腔天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种低剖面低RCS法布里‑珀罗谐振腔天线，包括源天线部分和非完整部分反射表面部分，所述非完整部分反射表面部分包括第一介质基板、第二介质基板、上层AMC贴片、中间层PRS贴片和下层AMC贴片；所述源天线部分包括第三介质基板、辐射贴片、源天线层AMC贴片、天线地板、激励探针和SAM探针接头。本发明将谐振腔厚度由半波长下降到亚波长量级，实现低剖面与高增益等天线性能优势，并且能够结合的多层AMC结构的反相抵消行了个实现宽带范围内的低RCS特性(RCS抑制带宽为3GHz～18GHz)，不仅适用于船载、机载以及车载的军事通信系统中，还适用于智能驾驶系统中实现目标测距与定位功能。

Description

低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线。

背景技术

随着隐身与反隐身技术的发展，具有低RCS性质的微带贴片天线凸显出越来越重要的地位。在过去的几十年内，研究者们提出了很多降低天线RCS的方法，如使用雷达吸波材料、加载集总与分布式元件、以及引入超材料吸收器等。这些材料对于天线散射的结构模式项都具有良好的抑制效果，然而也会给天线的辐射增益带来一定的恶化。因此，在不影响甚至提升天线的辐射性能(尤其是辐射增益)的前提下实现宽带范围内的RCS抑制具有非常重要的应用需求与研究意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多层AMC结构的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，将谐振腔厚度由半波长下降到亚波长量级，实现低剖面与高增益等天线性能优势，并且能够结合的多层AMC结构的反相抵消行了个实现宽带范围内的低RCS特性(RCS抑制带宽为3GHz～18GHz)，不仅适用于船载、机载以及车载的军事通信系统中，还适用于智能驾驶系统中实现目标测距与定位功能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，基于多层AMC结构，包括源天线部分和非完整部分反射表面部分，所述非完整部分反射表面部分包括自上而下依次设置的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板和第二介质基板的表面积相同，所述第一介质基板的上表面均匀设置有多个上层AMC贴片，第一介质基板和第二介质基板之间均匀设置有多个中间层PRS贴片，第二介质基板的下表面均匀设置偶遇多个下层AMC贴片，所述上层AMC贴片、中间层PRS贴片和下层AMC贴片自上而下一一对应设置；所述源天线部分包括第三介质基板，第三介质基板的表面积大于第二介质基板的表面积，所述第三介质基板的上表面设置有一个辐射贴片和多个源天线层AMC贴片，辐射贴片和源天线层AMC贴片呈阵列设置，且辐射贴片位于阵列中部，所述源天线层AMC贴片和下层AMC贴片之间存在空气间隙，所述第三介质基板的下表面设置有天线地板，所述天线地板的底部设置有SAM探针接头，所属SAM探针接头通过激励探针与辐射贴片连接。

进一步地，所述第三介质基板包括第一反射区和第二反射区，所述第一反射区的源天线层AMC贴片与非完整部分反射表面部分的下层AMC贴片一一对应设置，所述第二反射区的源天线层AMC贴片环绕第一反射区设置。通过将源天线部分中的源天线层AMC贴片与非完整部分反射表面部分的下层AMC贴片之间设置一定厚度的空气间隙，这两部分形成法布里-珀罗谐振腔结构，并且这两种AMC结构的反射相位近似，因而能够大幅降低腔体结构的厚度，即降低空气间隙的厚度达到亚波长量级；工作过程中，天线通过SMA探针接头馈电，激励信号通过激励探针传输到辐射贴片上形成谐振与辐射，并且辐射波在上述法布里-珀罗谐振腔中部分反射部分透射，最终形成高增益辐射波束，对于上半空间的入射波，一部分经过源天线部分第二反射区的源天线层AMC贴片发生反射，另一部分经过所述非完整部分反射表面部分中的上层AMC贴片发生反射，这两部分反射波具有宽带范围内的反相效果，进而实现宽带RCS减缩，单站RCS抑制带宽为3.0GHz～18.0GHz。

进一步地，所述上层AMC贴片呈周期性阵列设置。

进一步地，所述上层AMC贴片呈9×9阵列设置，且第一排和第九排的1、2、3、7、8、9号位空缺，第二排、第三排、第七排和第八排的1、9号位空缺。

进一步地，所述源天线层AMC贴片呈11×11阵列设置，且第六排的6号位空缺并安放辐射贴片。

进一步地，所述上层AMC贴片、下层AMC贴片和源天线层AMC贴片结构相同。通过源天线部分的源天线层AMC贴片、与非完整部分反射表面部分的上层AMC贴片的反相反射特性实现天线的宽带RCS减缩，并且，源天线部分的源天线层AMC贴片、与非完整部分反射表面部分的下层AMC贴片具有反射相位近似的性能，进而能够结合法布里-珀罗谐振腔的工作原理实现腔体厚度大幅减缩以及实现天线增益的增强。

进一步地，所述AMC贴片包括中心圆部分贴片、圆环部分贴片和多个支部贴片，所述中心圆部分贴片位于圆环部分贴片内，且中心圆部分贴片和圆环部分贴片之间存在空隙，所述支部贴片均匀环绕圆环部分贴片设置，且支部贴片均匀设置有多条隔断缝隙。

进一步地，所述AMC贴片包括四个支部贴片。

进一步地，所述支部贴片和圆环部分贴片之间存在空隙。

进一步地，所述支部贴片上设置有两条隔断缝隙。

进一步地，所述支部贴片和圆环部分贴片之间的空隙、以及支部贴片上的隔断缝隙为圆弧结构。

进一步地，所述支部贴片和圆环部分贴片之间的圆弧空隙、以及支部贴片上的圆弧隔断缝隙、圆环部分贴片和中心圆部分贴片的圆心相同。

进一步地，所述支部贴片呈截顶等腰三角形结构。

进一步地，所述第一反射区和第二反射区的反射面积相同。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出了基于多层AMC结构的低剖面宽带低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其主要利用了该非完整部分反射表面上所加载的AMC结构与源天线周围加载的AMC结构的宽带反相反射性质，成功地实现宽带范围内的RCS减缩，单站RCS抑制带宽为3.0GHz～18.0GHz；

(2)本发明在非完整部分表面的设计基础之上引入了另一层AMC结构，该AMC结构与源天线周围加载的AMC结构的反射相位近似，实现了法布里-珀罗谐振腔的厚度减缩，减缩后的腔体厚度为亚波长量级；

(3)本发明所提出非完整部分反射表面不仅能够实现宽带低RCS性能，而且能够较大地增强贴片天线在整个工作频带内的辐射增益。

(4)本发明最终实现了微带贴片天线的反射性能(宽带)、辐射性能(增益增强)以及散射性能(宽带低RCS)的全面提升，通过本发明的实施，能有效增强船载、机载和车载的军事通信系统以及智能驾驶系统中天线的性能。

附图说明

图1为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线的侧视图；

图2为图1中的AA截面的俯视示意图；

图3为图1中的BB截面的俯视示意图；

图4为图1中的CC截面的俯视示意图；

图5为图1中的DD截面的仰视示意图；

图6为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线的仰视图；

图7为本发明AMC贴片的结构示意图；

图8为本发明源天线周围加载(第二反射区)的AMC贴片结构与非完整部分反射表面的上层AMC贴片结构在AA面的反射相位曲线图；

图9为本发明源天线周围加载(第二反射区)的AMC贴片结构在DD面与非完整部分反射表面的下层AMC贴片结构在CC面的反射相位曲线图；

图10为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载源天线(参考天线)的反射系数随频率变化曲线图；

图11为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载源天线(参考天线)的实际增益随频率变化曲线图；

图12为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线在10.2GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图；

图13为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线在11.2GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图；

图14为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载的源天线(参考天线)在TM极化波垂直入射条件下相的后向RCS仿真曲线；

图15为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载的源天线(参考天线)在TE极化波垂直入射条件下相的后向RCS仿真曲线。

图16为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线相对于无加载的源天线(参考天线)在TM与TE极化波垂直入射条件下的后向RCS抑制仿真曲线图；

图中，1、第一介质基板；2、第二介质基板；3、第三介质基板；4、上层AMC贴片；5、中间层PRS贴片；6、下层AMC贴片；7、源天线层AMC贴片；8、辐射贴片；9、天线地板；10、激励探针；11、SAM探针接头；12、中心圆部分贴片；13、圆环部分贴片；14、支部贴片；15、圆弧空隙；16、隔断缝隙。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～7所示，一种低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，基于多层AMC结构，包括源天线部分和非完整部分反射表面部分，所述非完整部分反射表面部分包括自上而下依次设置的第一介质基板1和第二介质基板2，第一介质基板1和第二介质基板2的表面积相同，所述第一介质基板1的上表面均匀设置有多个上层AMC贴片4，第一介质基板1和第二介质基板2之间均匀设置有多个中间层PRS贴片5，第二介质基板2的下表面均匀设置偶遇多个下层AMC贴片6，所述上层AMC贴片4、中间层PRS贴片5和下层AMC贴片6自上而下一一对应设置；所述源天线部分包括第三介质基板3，第三介质基板3的表面积大于第二介质基板2的表面积，所述第三介质基板3的上表面设置有一个辐射贴片8和多个源天线层AMC贴片7，辐射贴片8和源天线层AMC贴片7呈阵列设置，且辐射贴片8位于阵列中部，所述源天线层AMC贴片7和下层AMC贴片6之间存在空气间隙，所述第三介质基板3的下表面设置有天线地板9，所述天线地板9的底部设置有SAM探针接头11，所属SAM探针接头11通过激励探针10与辐射贴片8连接。

具体地，所述第三介质基板3包括第一反射区和第二反射区，所述第一反射区的源天线层AMC贴片7与非完整部分反射表面部分的下层AMC贴片6一一对应设置，所述第二反射区的源天线层AMC贴片7环绕第一反射区设置。通过将源天线部分中的源天线层AMC贴片7与非完整部分反射表面部分的下层AMC贴片6之间设置一定厚度的空气间隙，这两部分形成法布里-珀罗谐振腔结构，并且这两种AMC结构的反射相位近似，因而能够大幅降低腔体结构的厚度，即降低空气间隙的厚度达到亚波长量级；工作过程中，天线通过SMA探针接头11馈电，激励信号通过激励探针10传输到辐射贴片8上形成谐振与辐射，并且辐射波在上述法布里-珀罗谐振腔中部分反射部分透射，最终形成高增益辐射波束，对于上半空间的入射波，一部分经过源天线部分第二反射区的源天线层AMC贴片7发生反射，另一部分经过所述非完整部分反射表面部分中的上层AMC贴片4发生反射，这两部分反射波具有宽带范围内的反相效果，进而实现宽带RCS减缩，单站RCS抑制带宽为3.0GHz～18.0GHz。

具体地，所述上层AMC贴片4呈周期性阵列设置。

具体地，所述上层AMC贴片4呈9×9阵列设置，且第一排和第九排的1、2、3、7、8、9号位空缺，第二排、第三排、第七排和第八排的1、9号位空缺。

具体地，所述源天线层AMC贴片7呈11×11阵列设置，且第六排的6号位空缺并安放辐射贴片8。

具体地，所述上层AMC贴片4、下层AMC贴片6和源天线层AMC贴片7结构相同。通过源天线部分的源天线层AMC贴片7、与非完整部分反射表面部分的上层AMC贴片4的反相反射特性实现天线的宽带RCS减缩，并且，源天线部分的源天线层AMC贴片7、与非完整部分反射表面部分的下层AMC贴片6具有反射相位近似的性能，进而能够结合法布里-珀罗谐振腔的工作原理实现腔体厚度大幅减缩以及实现天线增益的增强。

具体地，所述AMC贴片包括中心圆部分贴片12、圆环部分贴片13和多个支部贴片14，所述中心圆部分贴片12位于圆环部分贴片13内，且中心圆部分贴片12和圆环部分贴片13之间存在空隙，所述支部贴片14均匀环绕圆环部分13贴片设置，且支部贴片14上均匀设置有多条隔断缝隙16。

具体地，所述AMC贴片包括四个支部贴片14。

具体地，所述支部贴片14和圆环部分贴片13之间存在空隙。

具体地，所述支部贴片14上设置有两条隔断缝隙16。

具体地，所述支部贴片14和圆环部分贴片13之间的空隙、以及支部贴片13上的隔断缝隙16为圆弧结构。

具体地，所述支部贴片14和圆环部分贴片13之间的圆弧间隙15、以及支部贴片14上的圆弧隔断缝隙16、圆环部分贴片13和中心圆部分贴片12的圆心相同。

具体地，所述支部贴片14呈截顶等腰三角形结构。

具体地，所述第一反射区和第二反射区的反射面积相同。

将本发明基于多层AMC结构的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线进行性能测试，结果如图8～16所示，图8为本发明源天线周围加载(第二反射区)的AMC贴片结构与非完整部分反射表面的上层AMC贴片结构在AA面的反射相位曲线图，从图中可以看出，两种结构在6.0GHz～14.0GHz范围内于AA平面具有反相反射效果。

图9为本发明源天线周围加载(第二反射区)的AMC贴片结构在DD面与非完整部分反射表面的下层AMC贴片结构在CC面的反射相位曲线图，从图中可以看出，两种结构在8.0GHz～12.0GHz范围内具有近似相等的反射相位，由此根据法布里-珀罗谐振腔天线的光线几何法分析可以判定腔体的厚度可以设置为亚波长量级。

图10为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载源天线(参考天线)的反射系数随频率变化曲线图，可以看出所述法布里-珀罗谐振腔天线具有较宽的阻抗匹配带宽(9.8GHz～11.5GHz)。

图11为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载源天线(参考天线)的实际增益随频率变化曲线图，可以看出所述法布里-珀罗谐振腔天线的实际增益相较于参考天线在天线阻抗带宽内具有显著的提升。

图12为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线在10.2GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述法布里-珀罗谐振腔天线具有高增益侧射辐射方向图与较低的交叉极化。

图13为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线在11.2GHz频率上xoz平面与yoz平面内的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述法布里-珀罗谐振腔天线具有高增益侧射辐射方向图与较低的交叉极化。

图14为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载的源天线(参考天线)在TM极化波垂直入射条件下相的后向RCS仿真曲线，从图中可以看出，所述法布里-珀罗谐振腔天线在TM极化波垂直入射条件下相的后向RCS抑制频带范围为3.0GHz～18.0GHz。

图15为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线与无加载的源天线(参考天线)在TE极化波垂直入射条件下相的后向RCS仿真曲线，从图中可以看出，所述法布里-珀罗谐振腔天线在TE极化波垂直入射条件下相的后向RCS抑制频带范围为3.0GHz～18.0GHz。

图16为本发明低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线相对于无加载的源天线(参考天线)在TM与TE极化波垂直入射条件下的后向RCS抑制仿真曲线图，从图中可以看出，所述法布里-珀罗谐振腔天线在TM极化波垂直入射条件下相的后向RCS抑制频带范围为3.0GHz～18.0GHz，在TM极化波垂直入射条件下相的后向RCS抑制频带范围为3.0GHz～18.0GHz。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，包括源天线部分和非完整部分反射表面部分，所述非完整部分反射表面部分包括自上而下依次设置的第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板和第二介质基板的表面积相同，所述第一介质基板的上表面均匀设置有多个上层AMC贴片，第一介质基板和第二介质基板之间均匀设置有多个中间层PRS贴片，第二介质基板的下表面均匀设置偶遇多个下层AMC贴片，所述上层AMC贴片、中间层PRS贴片和下层AMC贴片自上而下一一对应设置；所述源天线部分包括第三介质基板，第三介质基板的表面积大于第二介质基板的表面积，所述第三介质基板的上表面设置有一个辐射贴片和多个源天线层AMC贴片，辐射贴片和源天线层AMC贴片呈阵列设置，且辐射贴片位于阵列中部，所述源天线层AMC贴片和下层AMC贴片之间存在空气间隙，所述第三介质基板的下表面设置有天线地板，所述天线地板的底部设置有SAM探针接头，所属SAM探针接头通过激励探针与辐射贴片连接；

其特征在于，所述第三介质基板包括第一反射区和第二反射区，所述第一反射区的源天线层AMC贴片与非完整部分反射表面部分的下层AMC贴片一一对应设置，所述第二反射区的源天线层AMC贴片环绕第一反射区设置。

2.根据权利要求1所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层AMC贴片呈周期性阵列设置。

3.根据权利要求1所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层AMC贴片呈9×9阵列设置，且第一排和第九排的1、2、3、7、8、9号位空缺，第二排、第三排、第七排和第八排的1、9号位空缺。

4.根据权利要求1所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述源天线层AMC贴片呈11×11阵列设置，且第六排的6号位空缺并安放辐射贴片。

5.根据权利要求1所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述上层AMC贴片、下层AMC贴片和源天线层AMC贴片结构相同。

6.根据权利要求5所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于， AMC贴片包括中心圆部分贴片、圆环部分贴片和多个支部贴片，所述中心圆部分贴片位于圆环部分贴片内，且中心圆部分贴片和圆环部分贴片之间存在空隙，所述支部贴片均匀环绕圆环部分贴片设置，且支部贴片均匀设置有多条隔断缝隙。

7.根据权利要求6所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于， AMC贴片包括四个支部贴片。

8.根据权利要求6所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述支部贴片和圆环部分贴片之间存在空隙。

9.根据权利要求6所述的低剖面低RCS法布里-珀罗谐振腔天线，其特征在于，所述支部贴片上设置有两条隔断缝隙。

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