CN113675605B - 一种简易全向完美透明隐形天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易全向完美透明隐形天线罩。天线罩主要由次波长谐振单元以周期排列而成，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一介质层、金属线路层和第二介质层组成；金属线路层包括两个相同的工字形金属片和四个相同的齿状金属片；两个工字形金属片垂直交叉布置，四个齿状金属片在金属线路层中沿周向对称布置；本发明厚度薄、质量轻、结构简单，其电磁性质等效为空气，对各个角度入射平面波有极好的透射效果，金属线路层在两层介质层之间，不易被磨损、氧化、腐蚀，性能稳定寿命更长，可广泛于电磁透明窗、制导天线罩、雷达罩等领域。

Description

一种简易全向完美透明隐形天线罩

技术领域

本发明涉及一种天线罩，具体涉及一种由次谐振单元周期排列而成的、对TE平面波实现全向完美透明隐形的天线罩。

背景技术

天线罩又称雷达天线罩或电磁窗，其作用是保护天线和天线系统免受外界恶劣环境如风沙、雨雪、冰雹、尘土、昆虫及低温和高温天气的损害，同时给天线系统提供类透明电磁窗口，一般由天然或者人工合成复合材料制作成的物理隔离环境。常见的天线罩有机头雷达罩、机背卫通天线罩、机翼电子战天线罩、车载雷达天线罩、空空导引头天线罩等。装备天线罩可使这些无线设备能够在各种气候条件下高精度工作，极大地提高雷达使用的使用寿命和精确性，被广泛应用于各种天线、雷达发射接收领域。然而，天线罩的作用决定了天线罩必须满足天线对天线-天线罩综合体的电气指标、机械结构强度、抗气候性能、使用寿命以及工艺制造成本等复杂的相互矛盾的要求。对于机载天线罩或者导弹头天线罩，其外形还应该满足空气动力学的要求。因此，综合天线罩其他方面的最低要求，天线罩的电气性能必须做出部分牺牲，不可能是最佳的。同时，因为天线罩处在天线的近区，其存在必然会较大程度影响天线的散射和辐射特性。典型如，当天线发射的电磁波穿过天线罩时，由于入射角度的不同会造成透射波的幅度和相位发生变化。相位变化引起的透射电磁波波前等相位面发生偏移，会造成瞄准线误差，严重影响制导精度。而天线罩阻抗不匹配引起的幅度变化会导致天线的辐射方向图变化及增益衰减，造成系统的作用距离受限。因此，天线罩的电磁性能优化一直是国内外相关领域科学家研究的热点。

虽然目前国内外已经发展出了很多方法去改善天线罩的阻抗匹配及透射率，比如在天线罩内部加载金属丝、FSS金属结构或者是利用超材料制作天线罩等，但因天线罩引入的相位畸变产生的瞄准线误差始终没有解决。其本质原因是，即使阻抗完美匹配，折射率不为1的材料也会在自由空间中不可避免会引入相位偏移。天线罩引起的相位变化导致通过天线罩后的电磁波的波前不再是距离天线口面等距离的平面，波束指向发生了偏移，形成了瞄准线误差。且由于常用天线罩的不规则曲面特性，不同路径电磁波的瞄准线误差也不同。因此，目前已有的天线罩设计方法均无法彻底消除瞄准线误差。

发明内容

基于背景技术中存在的问题，本发明提供一种简易全向完美透明隐形天线罩。本发明厚度薄、质量轻，电磁性质等效为空气，对各个角度入射的平面波有极好的透射效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述天线罩主要由周期尺寸小于1/5工作波长的方形的次波长谐振单元以周期排列而成，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一介质层、金属线路层和第二介质层组成；

金属线路层是一个对称的结构，包括位于同一平面上的两个相同的工字形金属片和四个相同的齿状金属片；工字形金属片分为径向条形金属段和分别连接位于中间条形金属段两端的切向条形金属段，两个工字形金属片垂直交叉布置，且两个工字形金属片各自径向条形金属段的中点相交，径向条形金属段的中点位于金属线路层的中心，切向条形金属段平行于金属线路层的周围侧边布置，两个工字形金属片各自的切向条形金属段分别平行于金属线路层不同的侧边，每个工字形金属片的径向条形金属段在靠近切向条形金属段的两端处均布置一个齿状金属片，每个齿状金属片沿和自身靠近的切向条形金属段的方向以齿形延伸布置，四个齿状金属片在金属线路层中沿周向对称布置；在次波长谐振单元的第一介质层和第二介质层的外端表面上各布置有一个金属圆环，金属圆环平行于金属线路层布置，且金属圆环位于表面的中心位置；整个次波长谐振单元在四角各设有一个贯穿的过孔，共计有四个过孔且沿周向对称布置，过孔贯穿第一介质层、金属线路层和第二介质层布置，四个过孔圆心均位于介质层的对角线上，过孔孔壁敷铜。

所述的过孔和金属线路层不电连接。

所述的齿状金属片的齿形幅度尺寸从中间向两侧递减。

所述的第一介质层、第二介质层均采用F4BMX245板材，相对介电常数为2.45，损耗正切值为0.0014。

所述的第一介质层和第二介质层的厚度相同。

所述天线罩由多个方形次波长谐振单元在同一平面上紧密周期排列而成。

上述方案只不过是本发明的一个例子，并未对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可以利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等效实例。

本发明于背景技术存在的问题相比具有的有益效果是：

本发明设计厚度薄、质量轻、结构简单；本发明性能十分接近空气，折射率近似为1。在工作频率7.81GHz处，随着平面波入射角度从0度增大到80度，回波损耗一直小于-30dB，在斜入射80度的情况下，透射效率依旧大于97％；本发明的金属线路层在两层介质层之间，不易被磨损、氧化、腐蚀，性能稳定寿命更长；本发明可以广泛应用于电磁透明窗、制导天线罩、雷达罩等领域。

附图说明

图1是本发明天线罩的单元结构的直观图；

图2是本发明天线罩的单元结构的结构示意图；

图2的(a)是本发明天线罩的单元结构的直视图；

图2的(b)是本发明天线罩的单元结构的金属线路层的示意图；

图2的(c)是本发明天线罩的单元结构的侧剖图；

图3是本发明天线罩在平面波以不同入射角度入射时的回波损耗参数对比图；

图4是本发明天线罩的单元结构的本构参数结果图；

图5是本发明天线罩(左)和空气(右)分别在平面波垂直入射、20度斜入射、40度斜入射、60度斜入射时的电场分布情况对比图；

图中：1、第一介质层，2、金属线路层，3、第二介质层，4、金属圆环，5、过孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，天线罩主要由周期尺寸小于1/5工作波长的方形的次波长谐振单元同一平面上以周期紧密排列而成，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一介质层1、金属线路层2和第二介质层3组成；第一介质层1和第二介质层3的厚度相同，且均采用F4BMX245板材，相对介电常数为2.45，损耗正切值为0.0014；金属线路层2是一个对称的结构，包括位于同一平面上的两个相同的工字形金属片和四个相同的齿状金属片；工字形金属片分为径向条形金属段和分别连接位于中间条形金属段两端的切向条形金属段，两个工字形金属片垂直交叉布置，且两个工字形金属片各自径向条形金属段的中点相交，径向条形金属段的中点位于金属线路层2的中心，切向条形金属段平行于金属线路层2的周围侧边布置，两个工字形金属片各自的切向条形金属段分别平行于金属线路层2不同的侧边，每个工字形金属片的径向条形金属段在靠近切向条形金属段的两端处均布置一个齿状金属片，齿状金属片的齿形幅度尺寸从中间向两侧递减，每个齿状金属片沿和自身靠近的切向条形金属段的方向以齿形延伸布置，四个齿状金属片在金属线路层2中沿周向对称布置；在次波长谐振单元的第一介质层1和第二介质层3的外端表面上各布置有一个金属圆环4，金属圆环4平行于金属线路层2布置，且金属圆环4位于表面的中心位置；整个次波长谐振单元在四角各设有一个贯穿的过孔5，共计有四个过孔5且沿周向对称布置，过孔5贯穿第一介质层1、金属线路层2和第二介质层3布置，四个过孔5圆心均位于介质层的对角线上，过孔5孔壁敷铜，过孔5和金属线路层2不电连接；

设定次波长谐振单元中一个金属圆环4所在的表面的其中一个顶点为原点，原点指向表面与原点相邻的一个顶点的方向为x方向，原点指向表面与原点相邻的另一个顶点的方向为y方向，原点指向另一个金属圆环4所在的表面的与原点相邻的一个顶点为z方向。

本发明的工作原理及过程为：

上述次波长谐振单元周期尺寸小于工作波长的1/5，可以认为是等效均匀媒质。当TE极化平面波沿x方向入射到上述谐振单元上时，金属线路层2会产生沿x方向的电谐振ε_x，减小金属线路层2中线路的宽度可以增强电谐振的强度，齿状金属片弯曲布置在金属线路层2内部，增加了电长度，使得工作频率降低，避免了高频损耗，增加工字形臂的长度可以更容易左移工作频点。金属线路层2表面的二阶电流和介质中的极化电流会产生y方向的磁偶极矩，在对角线上调节过孔5向靠近结构中心方向移动，同时增大过孔5的大小可以调低y方向的磁导率μ_y，使得在实际操作中，施加不同的工作频率，在某一特定的工作频率下，ε_x和μ_y的数值均等于1。在次波长谐振单元表面的布置金属圆环4可以降低z方向的磁导率μ_z。

本发明提出的介质材料是色散材料，即ε′和μ′都会随着频率的变化而变化，通过控制金属线路层2、金属圆环4和过孔5这几部分尺寸可以获得可控的等效ε′和μ’，使得等效媒质的本构参数满足ε′＝μ’＝1，即等效为空气，从而实现TE极化平面波以任意入射角度实现全透射。

本发明的一种全向完美透明隐形天线罩的次波长谐振单元实例如图2的(a)、图2的(b)和图2的(c)所示：

齿状金属片设有中间两个大齿形和边缘两个小齿形。

次波长谐振单元结构各部分的尺寸为：次波长谐振单元的边长n＝7mm，过孔5的圆孔的直径d＝0.44mm，相邻两个过孔5的圆周边之间最短直线距离的一半v＝2.8mm，金属圆环4的外环半径r₁＝0.66mm，金属圆环4的内环半径r₂＝0.41mm，齿状金属片线路的间隙f＝0.2mm，金属线路层2中工字形金属片线路的宽度w＝0.25mm，齿状金属片小齿形除去齿状金属片线路宽度的高度a＝1mm，齿状金属片大齿形除去齿状金属片线路宽度的高度k＝1.7mm，一个工字形金属片的一个周向条形金属段的内边至另一个工字形金属片的径向条形金属段的与之相邻的一边的距离c＝3mm，一个工字形金属片的径向条形金属段的一边至齿状金属片中两个大齿形中间与之相邻并且平行的一段的一边的距离o＝2.6mm，齿状金属片的线路的宽度q＝0.18mm，工字形金属片的周向条形金属段的长度p＝0.2mm，次波长谐振单元的介质层的厚度t＝1.4mm。

仿真结果如图3所示，本发明符合全向完美匹配透射介质材料。在7.81Ghz工作频率处，入射的TE极化平面波入射角从0度增加至80度时，回波损耗均小于-30dB，当TE极化平面波入射角度为80度时其透射系数仍达到97％，而且工作频率几乎无偏移。将图3所得的回波损耗，结合透射系数经过反算的结果如图4所示，该图为次波长谐振单元的本构参数图，可看到在7.81Ghz处Re(ε_x)＝Re(μ_y)＝0.999，Re(μ_z)＝1，Im(ε_x)＝0.025，Re表示复数的实部，Re(ε_x)表示介电常数x方向的实部，Re(μ_y)表示磁导率y方向分量的实部，Im表示复数的虚部，Im(ε_x)表示介电常数x方向分量的虚部，其余分量虚部较小趋近于0可以忽略。因此该次波长谐振单元的本构参数满足

i表示数学上复数虚部的符号，该次波长谐振单元几乎等效于空气介质材料。

平面波在本发明天线罩和空气中的传播情况对比图如图5所示。其中，每个子图的左边使用本发明提出的简易全向完美透明隐形天线罩，右边是相同厚度的空气层。对平面波垂直入射和斜入射(20度，40度，60度)的情况，可以看出平面波在本发明天线罩的次波长谐振单元结构中传播的情况和在空气中传播的情况高度一致，证明本发明天线罩的电磁性质和空气几乎相同。

本发明介绍的结构工作频率为7.81Ghz，工作波长为39.57mm，而本发明天线罩的次波长谐振单元的厚度为2.8mm，小于工作波长十分之一的厚度。如果要使本发明在其他频率工作，则需要根据工作波长比例调整工字形金属2、金属圆环4和过孔5等的尺寸。

以上所述，只是本发明在7.81Ghz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可以利用上述解释的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种简易全向完美透明隐形天线罩，其特征在于：

所述天线罩主要由周期尺寸小于1/5工作波长的方形的次波长谐振单元以周期排列而成，每个次波长谐振单元主要由依次层叠的第一介质层(1)、金属线路层(2)和第二介质层(3)组成；

金属线路层(2)包括两个相同的工字形金属片和四个相同的齿状金属片；工字形金属片分为径向条形金属段和分别连接位于中间条形金属段两端的切向条形金属段，两个工字形金属片垂直交叉布置，且两个工字形金属片各自径向条形金属段的中点相交，径向条形金属段的中点位于金属线路层(2)的中心，切向条形金属段平行于金属线路层(2)的周围侧边布置，每个工字形金属片的径向条形金属段在靠近切向条形金属段的两端处均布置一个齿状金属片，每个齿状金属片沿和自身靠近的切向条形金属段的方向以齿形延伸布置，四个齿状金属片在金属线路层(2)中沿周向对称布置；在第一介质层(1)和第二介质层(3)的外端表面上各布置有一个金属圆环(4)，且金属圆环(4)位于表面的中心位置；整个次波长谐振单元在四角各设有一个贯穿的过孔(5)，共计有四个过孔(5)且对称布置，四个过孔(5)圆心均位于介质层的对角线上，过孔(5)孔壁敷铜；

所述的过孔(5)和金属线路层(2)不电连接；

所述的齿状金属片的齿形幅度尺寸从中间向两侧递减；

所述的第一介质层(1)和第二介质层(3)的厚度相同。

2.根据权利要求1所述的一种简易全向完美透明隐形天线罩，其特征在于：

所述的第一介质层(1)和第二介质层(3)均采用F4BMX245板材，相对介电常数为2.45，损耗正切值为0.0014。

3.根据权利要求1所述的一种简易全向完美透明隐形天线罩，其特征在于：

所述天线罩由多个方形次波长谐振单元在同一平面上周期排列而成。

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