CN113937484A - 一种宽带机载共形低rcs天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽带机载共形低RCS天线，天线罩覆盖在外壳体的开口端，天线罩尺寸覆盖外壳体开口端和外壳体法兰盘的台阶宽度，天线罩粘接并铆接在外壳体上；短路柱和辐射盘位于外壳体空腔内部，垫片位于圆台顶部且被辐射盘压紧在圆台上，射频插座安装在外壳体下端封闭处的外部，射频插座内芯依次穿过外壳体、圆台和垫片并焊接在辐射盘上。本发明不仅能降低内壁对雷达探测波的镜面反射，还能吸收雷达探测波；降低谐振，提升工作带宽。并将腔体外壁设计为45°倾斜壁，改变了腔体的结构，降低了腔体谐振提升里带宽。
Description
技术领域
本发明涉及机载隐身天线技术领域，尤其是一种共形低RCS(Radar CrossSection，RCS)天线。
背景技术
隐身技术也称为“低可探测技术”，是通过改变目标特征信息，降低敌方探测系统的截获概率或缩短其发现距离，从而提高自身的生存能力的技术。
随着机载通信设备迅猛发展，低延时、大带宽、高数据传输率成了不断追求的方向，因此宽频带技术是机载通信天线亟需解决的关键技术。
目前，隐身技术主要包括雷达隐身技术、红外隐身技术、射频隐身技术及可见光隐身技术。由于雷达在现代防空体系中的广泛使用，雷达隐身技术成为飞行器隐身技术的关键。雷达隐身技术的核心是采取综合手段降低敌方雷达截获我方飞行器散射电磁波的能力，也就是通常所说的降低RCS值，(RCS值是物体散射强弱的度量，量纲为dBsm)从而实现缩短敌方雷达对我方飞行器的探测距离。
安装在飞行器蒙皮表面的机载天线由于直接被雷达探测波照射而成为飞行器的主要散射源，其隐身水平很大程度上决定了飞行器的隐身能力。共形天线是一种取代部分飞行器蒙皮的天线形式，其装机后蒙皮表面无突出，无凹陷，具有优良的气动外形特征，是一种机载天线的优选形式。但共形天线外形受到飞机蒙皮外形限制，天线的辐射体只能安装在蒙皮下面的腔体结构中，造成其工作频带较窄(一般不大于10％)，如何扩展机载共形天线带宽，并同时保持其低RCS特性，是机载共形隐身天线的重点研究方向。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种宽带机载共形低RCS天线。本发明提出了一种宽带机载共形低RCS天线，其不仅具备L波段44.2％相对工作带宽，同时实现X波段RCS值低于-40dBsm。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种宽带机载共形低RCS天线，包括天线罩，外壳体，辐射盘，短路柱，垫片和射频插座；天线罩覆盖在外壳体的开口端，天线罩尺寸覆盖外壳体开口端和外壳体法兰盘的台阶宽度，由于台阶上有铆钉孔同时涂抹了环氧胶，因此天线罩粘接并铆接在外壳体上；短路柱和辐射盘位于外壳体空腔内部，其中短路柱一端连接辐射盘，另一端连接外壳体；垫片位于圆台顶部且被辐射盘压紧在圆台上；射频插座安装在外壳体下端封闭处的外部，用螺钉将射频插座的法兰盘固定在外壳体壁上，射频插座内芯依次穿过外壳体、圆台和垫片并焊接在辐射盘上。
所述天线罩是一块透波介质板，天线罩的材料是环氧玻璃纤维板或其他透波刚性材料，均采用热压罐工艺或精铣工艺成型；
所述天线罩的外廓为六边形板，外形与飞行器蒙皮共形，六边形的最大对角线长度为天线工作波长λ的0.7倍-1.2倍，厚度为1mm-5mm。
所述外壳体的材料为环氧玻璃钢，外壳体的形状是上端开口下端封闭的六边形张口薄壁，上端尺寸大于下端尺寸，壁厚为2mm-8mm，张口薄壁向外以相同厚度水平延伸出法兰盘，距离法兰盘边缘10mm-30mm处有台阶，台阶高度为天线罩厚度的2倍，台阶宽度为15mm-30mm，台阶上涂抹环氧胶；距离法兰盘边缘10mm-20mm处四周沿着法兰盘边缘均匀分布一圈沉孔，沉头螺钉穿过沉孔将外壳体与飞行器蒙皮连接，距离沉孔圆心连线20mm-40mm处上沿台阶边缘均匀分布的一圈通孔，铆钉穿过通孔将天线罩与外壳体铆接；外壳体的下端封闭处的中心有圆台形凸起，圆台高度为外壳体中心空腔深度的1/3至2/3，圆台顶部的直径为0.02λ至0.05λ，圆台底部直径为0.1λ至0.2λ，外壳体空腔的内壁涂覆厚度0.3mm-2mm的吸波材料，外壳体封闭端的底部和圆台的斜面均镀银。
所述辐射盘为一块厚度0.5mm-2mm的八边形铝合金板，铝合金板两面均匀涂覆厚度0.3mm-2mm吸波材料。
所述的短路柱是横截面为菱形的铝合金棱柱，短路柱的高度比圆台高度高1mm-5mm，短路柱数量为2-8个，短路柱所有外表面均匀涂覆厚度0.3mm-1mm的吸波材料，短路柱两端设有内螺纹孔，短路柱一端螺接在辐射盘边缘，短路柱的另一端螺接在外壳体的底部，短路柱以辐射盘几何中心为中心旋转对称排列。
所述的垫片为圆形绝缘材料薄片，中心有圆孔，圆孔直径与射频插座内芯直径相同，垫片直径与外壳体中心凸起的圆台顶部直径相同。
本发明的有益效果在于：
(1)低RCS。天线的散射波由结构项散射和模式项散射组成。结构项散射主要指天线辐射体、外壳体等结构部件对探测电磁波的直接反射、绕射等；模式项散射主要指天线接收探测电磁波后由于端口不匹配产生的二次辐射波。机载共形天线散射主要由结构项散射构成，包括以下两部分：1，外壳体、辐射盘产生的反射波、散射波和边缘绕射波；2，天线罩和外壳体连接处由于材料不连续性产生的散射波。本发明主要做了如下措施降低了散射：外壳体张口空腔呈现六边形外廓，同时上大下小形成了倾斜45°的内壁并涂覆吸波材料，不仅能降低内壁对雷达探测波的镜面反射，还能吸收雷达探测波；辐射体外形为八边形且涂覆吸波材料，短路柱具有菱形横截面且涂覆吸波材料，这样不仅降低了对雷达探测波的镜面反射，而且吸收雷达探测波；天线罩和外壳体连接处涂覆吸波材料，吸收由于材料突变产生的散射波。
(2)宽频带。常规的机载共形天线受到飞行器蒙皮外形限制，天线外壳体只能为上端开口，下端封闭的金属腔体结构，由于辐射体覆盖了腔体的上端开口，造成辐射盘与外壳体形成封闭空间，天线辐射波将在封闭的金属腔体内震荡形成强谐振，仅能通过辐射盘与外壳体之间的缝隙辐射，强谐振必然造成工作频带窄。本发明采用以下两处设计降低谐振，提升工作带宽。将传统的金属外壳体改变为环氧玻璃钢外壳体，同时外壳体底部镀银保证辐射体接地。由于环氧玻璃钢为半透波材料，辐射体产生的辐射波一部分透射，一部分发生谐振，降低了腔体谐振提升了带宽；在外壳体底部增加了圆台，并将腔体外壁设计为45°倾斜壁，改变了腔体的结构，降低了腔体谐振提升里带宽。
附图说明
图1是本发明实施例1中共形低RCS天线的外形图，图1(a)为共形低RCS天线的俯视图，图1(b)为共形低RCS天线横截面图。
图2是本发明实施例1驻波比曲线图。
图3是本发明0.93GHz方位面方向图，方位面是XOY面，
是与X轴夹角。
图4是本发明1.2GHz方位面方向图。
图5是本发明1.46GHz方位面方向图。
图6是本发明0.93GHz俯仰面方向图，俯仰面是XOZ面，θ是与Z轴夹角。
图7是本发明1.2GHz俯仰面方向图。
图8是本发明1.46GHz俯仰面方向图。
图9是本发明Z轴极化雷达探测波照射方位面单站RCS值曲线。
图10是本发明Y轴极化雷达探测波照射方位面单站RCS值曲线。
其中，1-天线罩，2-外壳体，3-辐射盘，4-短路柱，5-垫片，6-射频插座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。应当理解，这些实例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
参考图1，本实施例包括天线罩(1)，外壳体(2)，辐射盘(3)，短路柱(4)，垫片(5)，射频插座(6)。
所述的天线罩(1)是一块厚度为2mm的六边形环氧玻璃纤维板，采用热压罐工艺模压成型与飞行器蒙皮共形。
所述的外壳体(2)材料为环氧玻璃钢，采用热压罐工艺模压成型。外壳体(2)外形是上端开口尺寸大、下端封闭尺寸小、内壁45°倾斜，中心为六边形空腔的张口薄壁，壁厚为4mm。张口薄壁向外以相同厚度水平延伸出法兰盘，距离法兰盘边缘20mm处有台阶，台阶高度为2mm，台阶宽度为20mm，台阶上涂抹环氧胶。距离法兰盘边缘15mm处上有沿着法兰盘边缘均匀分布的12个沉孔，沉头螺钉穿过沉孔将外壳体与飞行器蒙皮连接，距离台阶边缘15mm处上有沿着台阶边缘均匀分布的12个通孔，铆钉穿过通孔将天线罩与外壳体铆接。外壳体下端封闭处有圆台形凸起，圆台高度为27.5mm，圆台顶部直径为5mm，圆台底部直径为18.5mm。外壳体张口的内壁涂覆厚度1mm的吸波材料。外壳体封闭端底部表面和圆台斜面镀银。
所述的辐射盘(3)是一块厚度0.5mm的八边形铝合金板，板两面均涂覆厚度0.3mm的吸波材料。
所述的短路柱(4)是横截面为菱形的铝合金棱柱，表面涂覆厚度0.3mm的吸波材料，两端有直径2mm的螺纹孔，一端螺接在辐射盘(3)边缘，另一端螺接在外壳体(2)底部，4个短路柱以辐射盘(3)几何中心为中心旋转对称排列。
所述的垫片(5)是中心有圆孔的圆形聚碳酸酯薄片，圆孔直径与射频插座(6)内芯直径相同，垫片直径与外壳体(2)中心圆台顶部直径相同。
所述的射频插座(6)为TNC-K型，安装在外壳体(2)底部。
上述各个部件组合关系如下：
天线罩覆盖在外壳体的开口端，天线罩尺寸恰好覆盖整个外壳体开口端和外壳体法兰盘台阶宽度，由于台阶上有铆钉孔同时涂抹了环氧胶，因此天线罩粘接并铆接在外壳体上；短路柱和辐射盘位于外壳体空腔内部，其中短路柱一端连接辐射盘，另一端连接外壳体；垫片位于圆台顶部且被辐射盘压紧在圆台上；射频插座安装在外壳体下端封闭处外部，用螺钉将射频插座的法兰盘固定在外壳体壁上，射频插座内芯穿过外壳体壁、圆台和垫片并焊接在辐射盘上。
以下结合测试结果，对本发明实施例1的技术效果作进一步说明：
1.仿真条件和内容：
1.1利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例1的驻波比进行仿真计算，得到驻波比曲线如图2所示。
1.2参考图3～图8，利用商业仿真软件ANSYS18.0对实施例1的远场方向图进行仿真计算，得到工作频带内不同频率对应的方位面(XOY面)和俯仰面(XOZ面)方向图曲线。
1.3利用商业仿真软件FEKO2017对实施例1前向(
角是XOY面内与X轴的夹角)的单站RCS进行仿真计算，实施例1在Z轴方向极化、频率10GHz的电磁波照射下，单站RCS随
角变化曲线图如图9所示，实施例1在Y轴方向极化、频率10GHz的电磁波照射下，单站RCS随
角变化曲线图如图10所示。
2.仿真结果：
2.1参照图2，横坐标为频率，纵坐标为驻波比，以驻波比≤2为标准，本实施例1的带宽为0.93GHz-1.46GHz，相对带宽达到了44.2％，天线具备宽带化特性；
2.2参照图3～图8，横坐标为方位角，纵坐标为增益，可见天线具有宽带全向辐射特征；
2.3参照图9和图10，横坐标为方位角，纵坐标为RCS值，可见在
角在±45°范围内的RCS值低于-40dBsm，天线具备低RCS特性。
Claims (7)
1.一种宽带机载共形低RCS天线，包括天线罩，外壳体，辐射盘，短路柱，垫片和射频插座，其特征在于：
所述宽带机载共形低RCS天线中，天线罩覆盖在外壳体的开口端，天线罩尺寸覆盖外壳体开口端和外壳体法兰盘的台阶宽度，由于台阶上有铆钉孔同时涂抹了环氧胶，因此天线罩粘接并铆接在外壳体上；短路柱和辐射盘位于外壳体空腔内部，其中短路柱一端连接辐射盘，另一端连接外壳体；垫片位于圆台顶部且被辐射盘压紧在圆台上；射频插座安装在外壳体下端封闭处的外部，用螺钉将射频插座的法兰盘固定在外壳体壁上，射频插座内芯依次穿过外壳体、圆台和垫片并焊接在辐射盘上。
2.根据权利要求1所述的宽带机载共形低RCS天线，其特征在于：
所述天线罩是一块透波介质板，天线罩的材料是环氧玻璃纤维板或其他透波刚性材料，均采用热压罐工艺或精铣工艺成型。
3.根据权利要求1所述的宽带机载共形低RCS天线，其特征在于：
所述天线罩的外廓为六边形板，外形与飞行器蒙皮共形，六边形的最大对角线长度为天线工作波长λ的0.7倍-1.2倍，厚度为1mm-5mm。
4.根据权利要求1所述的宽带机载共形低RCS天线，其特征在于：
所述外壳体的材料为环氧玻璃钢，外壳体的形状是上端开口下端封闭的六边形张口薄壁，上端尺寸大于下端尺寸，壁厚为2mm-8mm，张口薄壁向外以相同厚度水平延伸出法兰盘，距离法兰盘边缘10mm-30mm处有台阶，台阶高度为天线罩厚度的2倍，台阶宽度为15mm-30mm，台阶上涂抹环氧胶；距离法兰盘边缘10mm-20mm处四周沿着法兰盘边缘均匀分布一圈沉孔，沉头螺钉穿过沉孔将外壳体与飞行器蒙皮连接，距离沉孔圆心连线20mm-40mm处上沿台阶边缘均匀分布的一圈通孔，铆钉穿过通孔将天线罩与外壳体铆接；外壳体的下端封闭处的中心有圆台形凸起，圆台高度为外壳体中心空腔深度的1/3至2/3，圆台顶部的直径为0.02λ至0.05λ，圆台底部直径为0.1λ至0.2λ，外壳体空腔的内壁涂覆厚度0.3mm-2mm的吸波材料，外壳体封闭端的底部和圆台的斜面均镀银。
5.根据权利要求1所述的宽带机载共形低RCS天线，其特征在于：
所述辐射盘为一块厚度0.5mm-2mm的八边形铝合金板，铝合金板两面均匀涂覆厚度0.3mm-2mm吸波材料。
6.根据权利要求1所述的宽带机载共形低RCS天线，其特征在于：
所述的短路柱是横截面为菱形的铝合金棱柱，短路柱的高度比圆台高度高1mm-5mm，短路柱数量为2-8个，短路柱所有外表面均匀涂覆厚度0.3mm-1mm的吸波材料，短路柱两端设有内螺纹孔，短路柱一端螺接在辐射盘边缘，短路柱的另一端螺接在外壳体的底部，短路柱以辐射盘几何中心为中心旋转对称排列。
7.根据权利要求1所述的宽带机载共形低RCS天线，其特征在于：
所述的垫片为圆形绝缘材料薄片，中心有圆孔，圆孔直径与射频插座内芯直径相同，垫片直径与外壳体中心凸起的圆台顶部直径相同。
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