CN113113769A - 基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线 - Google Patents

基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线，属于平面微波器件领域。包括介质基板、H型金属贴片和接地板；H型金属贴片的两块竖直贴片上分别嵌设有相变薄膜；接地板上开设有空心槽；H型金属贴片一侧的介质基板上罩设有热风罩，热风罩上设有加热电阻丝。本发明利用相变薄膜，相变前天线不工作，加热电阻丝不通电，使相变薄膜相变为绝缘性质，RCS低处于“隐身状态”；天线工作时，加热电阻丝通电，保持热风罩内空气温度稳定在68‑72℃，使相变薄膜相变为导体性质，电导率迅速增大，天线仍能在工作状态时保持良好的天线特性。本发明实现了天线阵列孔径增大，扫描波束变窄，方向性增强，阵元间互耦减弱，馈电网络简化等，适用于宽带系统。

Description

基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线
技术领域
本发明属于平面微波器件领域，涉及微带贴片天线器件、二氧化钒超材料等，具体涉及基于二氧化钒相变薄膜的低RCS的微带阵列天线设计。
背景技术
金属微带天线在通信领域应用广泛，在军事中对其辐射、散射性能要求较高，以及高增益、宽频带、方向性等综合因素。对于同一平台搭载多个天线或阵列天线的方法严重加大了集成难度且提升了成本。为了解决通信系统的需求，提出了可重构天线。可重构天线作为一种新型天线，通过改变天线形状，使其能够实现多个天线的功能，从而减小天线上负载重量，具有电磁兼容性较好同时体积小的优势。
近年来，随着雷达技术与武器装备技术的发展，武器装备的隐身技术逐渐成为军事作战领域的重要研究对象。隐身技术即指通过一系列科技手段，对目标的特征信号进行控制和抑制，让敌方无法探测到我方武器的信息，迫使敌方电子平台降低其战斗效力，使我方武器能隐藏在战场中进行作战，起到提升生存能力和战斗能力的作用。
天线隐身技术在20世纪40年代被提出，天线散射理论的研究最早始于20世纪60年代。1992年IEEE-APS会议开辟了RCS专题，在此之后，微带天线RCS进入了快速发展的时期，尤其是对于RCS缩减的问题。
雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）是衡量目标对入射电磁波散射强度的物理量，是表征其天线隐身特征的参数，RCS较大的目标更容易被敌方雷达探测到。因此，要实现我方武器的作战“隐身”，就必须降低天线的RCS。一般天线RCS减缩的同时，会导致其天线辐射性能的降低。因此实际应用中，要设计出辐射功能和散射功能良好的天线，就必须在天线增益以及天线RCS两个指标中实现一个折中的设计。目前关于天线RCS减缩的方法，通常是阻抗加载技术、整形分形技术等。例如对天线贴片进行外观设计、外加谐振环，或是涂吸波材料等。
发明内容
为了实现天线在工作时正常的辐射特性，不工作时处于低雷达散射截面（RCS）的隐身状态，本发明提供基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线。
基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线包括介质基板1、H型金属贴片2和接地板4；所述H型金属贴片2设于介质基板1的一侧面上，H型金属贴片2的水平贴片下部连接着贴片传输线22，贴片传输线22延伸至介质基板1的边缘；所述接地板4设于介质基板1的另一侧面上；
所述贴片传输线22两侧的H型金属贴片2的两块竖直贴片21上分别嵌设有相变薄膜3；
所述接地板4上开设有空心槽，所述空心槽为一对L型槽41、一对矩形槽42和单个矩形槽43，接地板4的边缘上连接设有接地传输线44，且接地传输线44延伸至介质基板1的边缘，且贴片传输线22和接地传输线44上下相互对应；
所述H型金属贴片2一侧的介质基板1上罩设有热风罩8，所述热风罩8内的顶部上设有加热电阻丝7，热风罩8的一侧面上开设有进风口5，另一侧面上开设有出风口6；
当隐身天线正常工作时，加热电阻丝7通电，保持风罩8内空气温度稳定在68-72℃，使相变薄膜3由常温下的绝缘性质相变为导体性质；
当隐身天线不工作时，加热电阻丝7不通电，使相变薄膜3相变为绝缘性质，实现隐身天线处于低雷达散射截面的隐身状态。
进一步地具体技术方案如下：
所述相变薄膜3的材料为二氧化钒（VO2），当相变薄膜3处于工作温度时，电导率为106。
所述相变薄膜3的制备操作如下：在气体流量40Sccm、700-800℃炉内温度、溅射压力0.4Pa的氩气（Ar）溅射条件下，通过掩模版，在介质基板1上沉积厚度为5um的二氧化钒（VO2）的相变薄膜，在氮气的氛围中退火，得到厚度为0.01-0.1mm相变薄膜3。
所述热风罩8的顶面与H型金属贴片2表面之间的间距为5-25mm，热风罩8的材料为聚苯乙烯，介电常数为1.5、耐热温度为140℃、热传导率为0.1。
所述一对L型槽41和一对矩形槽42均对称设于接地板4上，一对L型槽41位于一对矩形槽42的上方；所述单个矩形槽43位于一对L型槽41和一对矩形槽42之间的接地板4上，单个矩形槽43的上端位于一对L型槽41的底部，单个矩形槽43的下端位于一对矩形槽42的底部上方。
所述介质基板1的材料为蓝宝石，所述接地板4的材料为铜。
基于所述基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线的隐身天线阵列，包括两个以上的隐身天线和功分器9，两个以上的隐身天线的贴片传输线22并联连接着功分器9的高阻抗线91，功分器9的高阻抗线91的外端和低阻抗线92的外端分别延伸至介质基板1的边缘。
所述隐身天线阵列包括四个隐身天线和功分器9，四个隐身天线的贴片传输线22并联连接着功分器9的高阻抗线91，功分器9的高阻抗线91的外端和低阻抗线92的外端分别延伸至介质基板1的边缘。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1. 与之前技术相比，之前的相变材料仅仅当做开关使用，在同一电路板上，设计了不同的功能电路，采用开关通断选择不同的电路，因此造成了电路面积和体积偏大，不利于微波电路的小型化。本发明采用相变薄膜替换贴片中部分材料，做到的电路结构的改变，电磁场分布的不同，实现天线的功能变换；满足在工作时正常的辐射特性，又满足不工作时处于低RCS的隐身状态。因此，与之前设计的天线的思路有本质区别，电路面积显著减小，器件集成度有了较大提升，同时解决了器件之间的信号串扰性等问题。
2.本发明的阵列天线稀疏优化除了可以减轻重量和降低成本，还可以使天线阵列孔径增大，扫描波束变窄，方向性增强，阵元间互耦减弱，馈电网络简化等，适用于宽带系统。
3.本发明解决了之前降低RCS的天线设计方法的弊端，即在降低天线RCS的同时，会导致天线性能的缩减。传统的纯金属天线的RCS约为-30dB，而本发明充分利用相变薄膜在相变前后电导率的变化，相变前天线不工作，RCS低处于“隐身状态”，但通过外观设计的优化，使发生相变之前天线的RCS能缩减20dB到达-50dB，发生相变后，因二氧化钒（VO2）相变薄膜的相变作用使本发明的天线的RCS进一步下降20dB达到-70dB。因此本发明在6-12GHz的超宽工作频带内，能明显地降低天线的RCS，起到RCS缩减功能。
4.本发明与以往技术相比，天线工作时发生相变后，其电导率由个位数直接上升到数量级为106，二氧化钒（VO2）薄膜由绝缘体变为导体，此时天线具有良好的辐射特性，在6-12GHz的工作频带内，天线能维持2-5dB的增益实现天线辐射功率放大的功能。
5.以往的技术通常采用在天线上涂布超电材料或加载分支电阻，主要以吸收电磁波作为减小散射参数的主要方法。而本发明中为了避免结构的复杂以及材料成本的增加，直接通过调整天线材料的电导率来减小天线结构的散射参数，在中心频率为9GHz时，天线的回波损耗（s11）最高可被降低35dB，这样可减小反射波占总入射波的比例，降低天线的散射效应，提高天线的工作性能。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为单个隐身贴片天线工作时的立体图。
图3为单个隐身贴片天线的尺寸图。
图4为单个隐身贴片天线底面接地板的立体图。
图5为单个隐身贴片天线底面接地板的尺寸图。
图6为单个隐身贴片天线沿AA1的剖面图。
图7为4个隐身贴片天线组阵外加功分器馈线电路的工作图。
图8为4个隐身贴片天线组阵的底面图。
图9为隐身贴片天线阵列的回波损耗S11图。
图10为隐身贴片天线阵列的天线XOZ和YOZ方向图。
图11为隐身贴片天线阵列的散射参数图。
图12为金属、相变、非相变三种状态下的RCS对比图。
上图中序号：介质基板1、H型金属贴片2、竖直贴片21、贴片传输线22、相变薄膜3、接地板4、一对L型槽41、一对矩形槽42、单个矩形槽43、接地传输线44、进风口5、出风口6、加热电阻丝7、热风罩8、功分器9、高阻抗线91、低阻抗线92。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步描述。
应理解以下实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的适用范围。在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改，均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
一种基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线
参见图1、图2，隐身天线包括介质基板1、H型金属贴片2、接地板4和热风罩8。
参见图2，介质基板1的材料为蓝宝石。H型金属贴片2设于介质基板1的一侧面上，H型金属贴片2的水平贴片下部连接着贴片传输线22，贴片传输线22延伸至介质基板1的边缘。贴片传输线22两侧的H型金属贴片2的两块竖直贴片21上分别嵌设有相变薄膜3；相变薄膜3的材料为二氧化钒（VO2），当相变薄膜3处于工作温度时，电导率为106。
相变薄膜3的制备操作如下：在气体流量40Sccm、750℃炉内温度、溅射压力0.4Pa的氩气（Ar）溅射条件下，通过掩模版，在介质基板1上沉积厚度为5um的二氧化钒（VO2）的相变薄膜，在氮气的氛围中退火，得到厚度为0.05mm相变薄膜3。
参见图1，热风罩8罩设于H型金属贴片2一侧的介质基板1上。热风罩8内的顶部上安装有加热电阻丝7，热风罩8的一侧面上开设有进风口5，另一侧面上开设有出风口6。热风罩8的顶面与H型金属贴片2表面之间的间距为10mm，热风罩8的材料为聚苯乙烯，介电常数为1.5、耐热温度为140℃、热传导率为0.1。
参见图3和图6，介质基板1的内部尺寸：介质基板1的长度L0为6.4mm、宽度W0为5.0mm、高度h0为0.5mm；相变薄膜3的长L1为1.7mm，宽为W1为1.66mm，高度h1为1μm；传输线22的长L3为0.5mm，宽W2为3mm，高度h2为1μm；H型金属贴片2总长度L5为6mm，总宽度W4为4.42mm，竖直贴片21的长度L4为4.6mm、长度L6为2.02mm，H型金属贴片2上半部分宽度W5为2.02mm、H型金属贴片2下半部分宽度W3为1.86mm；贴片传输线22距H型金属贴片2的距离L2为0.5mm；相变薄膜3距H型金属贴片2的长度L7为0.35mm、宽度W6为0.08mm。
参见图4，接地板4设于介质基板1的另一侧面上。接地板4的材料为铜，接地板4上开设有空心槽，空心槽为一对L型槽41、一对矩形槽42和单个矩形槽43，一对L型槽41和一对矩形槽42均对称设于接地板4上，一对L型槽41位于一对矩形槽42的上方。单个矩形槽43的上端位于一对L型槽41的底部，单个矩形槽43的下端位于一对矩形槽42的底部上方。接地板4的边缘上连接着接地传输线44，且接地传输线44延伸至介质基板1的边缘，且贴片传输线22和接地传输线44上下相互对应。
参见图5，接地传输线44中长 L8为0.8mm、 宽W8为2.8mm；一对L型槽41的长度L9为0.4mm ,宽度W9为0.4mm、长度L10为2.4mm、 宽度W10为2.02mm、一对矩形槽42的长度 L11为1.7mm、宽度W11为1.66mm；接地板4的长度L12为6.4mm、宽度W12为5mm；单个矩形槽43长度L13为0.2mm、宽度W13为1.93mm；一对矩形槽42距介质基板1边界平行距离L14为0.5mm、与接地板4下侧的垂直距离W14为0.42mm、单个矩形槽43距接地传输线44上端的垂直距离W15为0.2mm。
本实施例1的隐身天线的工作于波长0.79～1.58mm的波段、中心频率波长λ0=1.185mm，中心频率为9GHz，下边频率为6GHz，上边频率为12GHz。
本实施例1的工作原理说明如下：
当隐身天线正常工作时，加热电阻丝7通电，保持风罩8内空气温度稳定在70℃，使相变薄膜3由常温下的绝缘性质相变为导体性质；
当隐身天线不工作时，加热电阻丝7不通电，使相变薄膜3相变为绝缘性质，实现隐身天线处于低雷达散射截面的隐身状态。
实施例2
基于实施例1的隐身天线为天线单元的隐身天线阵列
参见图7，隐身天线阵列包括四个隐身天线和功分器9，四个隐身天线的贴片传输线22并联连接着功分器9的高阻抗线91，功分器9的高阻抗线91的外端和低阻抗线92的外端分别延伸至介质基板1的边缘。
参见图8，四个隐身天线的接地板4一侧面的结构。
本实施例2的隐身天线阵列的工作频段为6-12GHz、谐振频率为9.0GHz，工作波长为λ0=1.185mm。其中每个隐身天线的尺寸参数都与实施例1相同。
参见图7，在实施例1隐身天线的基础上需要调整天线单元之间的距离，通过计算和优化，得出的功分器9馈线阻抗值固定仅与馈线宽度相关，本发明功分器9馈线尺寸如下：三个衔接口处为高阻抗线91的宽度为L15，尺寸为0.48mm，其他馈线均为低阻抗线92，低阻抗线92的宽度为L16，尺寸为0.215mm，其中高阻抗线91的长度W16固定为四分之一波长，W16=0.25λ0=0.296mm，低阻抗线92的长度不影响阻抗值，本发明中的低阻抗线92的长度依据实施例1中隐身天线的长度来设置。
用热风罩8紧密地安装在整个超宽带低RCS阵列隐身天线上，并用加热电阻丝7对热风罩8内的空气进行加热，使腔内保持在70℃，二氧化钒（VO2）发生相变，天线处于工作状态，测量天线的回波损耗s11如图9，绘制天线的XOZ、YOZ方向图如图10，测量得出天线的散射参数如图11，分别测量出金属、天线相变后、天线相变前的雷达散射截面（即RCS）如图12。

Claims (8)

1.基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线，包括介质基板（1）、H型金属贴片（2）和接地板（4）；所述H型金属贴片（2）设于介质基板（1）的一侧面上，H型金属贴片（2）的水平贴片下部连接着贴片传输线（22），贴片传输线（22）延伸至介质基板（1）的边缘；所述接地板（4）设于介质基板（1）的另一侧面上；其特征在于：
所述贴片传输线（22）两侧的H型金属贴片（2）的两块竖直贴片（21）上分别嵌设有相变薄膜（3）；
所述接地板（4）上开设有空心槽，所述空心槽为一对L型槽（41）、一对矩形槽（42）和单个矩形槽（43），接地板（4）的边缘上连接设有接地传输线（44），且接地传输线（44）延伸至介质基板（1）的边缘，且贴片传输线（22）和接地传输线（44）上下相互对应；
所述H型金属贴片（2）一侧的介质基板（1）上罩设有热风罩（8），所述热风罩（8）内的顶部上设有加热电阻丝（7），热风罩（8）的一侧面上开设有进风口（5），另一侧面上开设有出风口（6）；
当隐身天线正常工作时，加热电阻丝（7）通电，保持风罩（8）内空气温度稳定在68-72℃，使相变薄膜（3）由常温下的绝缘性质相变为导体性质；
当隐身天线不工作时，加热电阻丝（7）不通电，使相变薄膜（3）相变为绝缘性质，实现隐身天线处于低雷达散射截面的隐身状态。
2.根据权利要求1所述的基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线，其特征在于：所述相变薄膜（3）的材料为二氧化钒（VO2），当相变薄膜（3）处于工作温度时，电导率为106。
3.根据权利要求1所述的基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线，其特征在于：所述相变薄膜（3）的制备操作如下：在气体流量40Sccm、700-800℃炉内温度、溅射压力0.4Pa的氩气（Ar）溅射条件下，通过掩模版，在介质基板（1）上沉积厚度为5um的二氧化钒（VO2）的相变薄膜，在氮气的氛围中退火，得到厚度为0.01-0.1mm相变薄膜（3）。
4.根据权利要求1所述的基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线，其特征在于：所述热风罩（8）的顶面与H型金属贴片（2）表面之间的间距为5-25mm，热风罩（8）的材料为聚苯乙烯，介电常数为1.5、耐热温度为140℃、热传导率为0.1。
5.根据权利要求1所述的基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线，其特征在于：所述一对L型槽（41）和一对矩形槽（42）均对称设于接地板（4）上，一对L型槽（41）位于一对矩形槽（42）的上方；所述单个矩形槽（43）位于一对L型槽（41）和一对矩形槽（42）之间的接地板（4）上，单个矩形槽（43）的上端位于一对L型槽（41）的底部，单个矩形槽（43）的下端位于一对矩形槽（42）的底部上方。
6.根据权利要求1所述的基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线，其特征在于：所述介质基板（1）的材料为蓝宝石，所述接地板（4）的材料为铜。
7.基于权利要求1所述基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线的隐身天线阵列，其特征在于：包括两个以上的隐身天线和功分器（9），两个以上的隐身天线的贴片传输线（22）并联连接着功分器（9）的高阻抗线（91），功分器（9）的高阻抗线（91）的外端和低阻抗线（92）的外端分别延伸至介质基板（1）的边缘。
8.根据权利要求7所述的基于相变薄膜的超宽带低雷达散射截面的隐身天线阵列，其特征在于：所述隐身天线阵列包括四个隐身天线和功分器（9），四个隐身天线的贴片传输线（22）并联连接着功分器（9）的高阻抗线（91），功分器（9）的高阻抗线（91）的外端和低阻抗线（92）的外端分别延伸至介质基板（1）的边缘。
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