CN114421142B - 一种宽带低剖面散射自对消天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带低剖面散射自对消天线阵，包括从上至下依次设置的天线罩、天线防护材料、天线单元、天线介质材料板、支撑或者吸波材料、金属底板和宽带匹配馈电装置，所述天线单元包括基准天线单元和调相天线单元，所述基准天线单元包括m×n块基准天线单元辐射贴片、互补耦合贴片和阻抗匹配耦合贴片，所述调相天线单元包括m×n块调相天线单元辐射贴片，所述天线介质材料板通过馈电结构和金属底板与宽带匹配馈电装置连接，对基准天线单元辐射贴片和调相天线单元辐射贴片进行馈电。

Description

一种宽带低剖面散射自对消天线阵
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带低剖面散射自对消天线阵。
背景技术
散射对消是通过改变目标局部散射电磁波相位，使得目标不同局部散射电磁波相位180°反相，在空间进行矢量叠加时目标不同局部散射相互抵消，进而降低目标散射，是目前目标散射缩减的重要手段。
天线阵散射对消分为有源对消和无源对消。有源对消是指通过额外的天线发射一个与天线散射电磁波幅度一致，相位相差180°的电磁波信号，两个电磁波分量在空间上进行矢量叠加后相互抵消，从而降低天线阵的散射。有源散射对消需要额外增加对消电磁波信号发射天线和复杂的后处理系统，在应用上存在尺寸、重量、资源大的问题。有源对消存在时延问题，从天线接收到发射需要一定的时延，但天线口径散射接近零时延，对于单脉冲雷达，这一问题将使雷达信号有源对消效果变差甚至无效。
无源对消分为加载对消和自对消。加载对消是指天线阵中各个天线单元保持不变，通过在天线阵面正上方或者天线阵的非辐射区(通常为天线阵的金属地)加载额外的金属、介质或者金属介质混合结构或超表面，使得该部分的散射电磁波相位发生明显改变，甚至180°反相，不同局部的散射电磁波分量在空间上进行矢量叠加后相互抵消，从而降低天线阵整体的散射。通过在天线阵面正上方加载实现散射对消的方式对天线阵工作频段内的电性能影响较大，会造成天线阵工作频段内辐射方向图、增益等性能的恶化，因此多用于天线工作频段外的散射缩减，不能解决天线阵工作频段内散射大的问题。通过在天线阵的非辐射区(通常为天线阵的金属地)上加载实现散射对消的方式对天线阵工作频段内的辐射方向图、增益等性能影响较小，可以用于天线阵工作频段内的散射缩减，但为了实现非辐射区(通常为天线阵的金属地)的加载，非辐射区(通常为天线阵的金属地)设计尺寸较大，相当于侵占了天线阵的有效辐射面积，会对天线阵的工作频率带宽或者口径效率(天线阵的增益)造成恶化，在实际应用中多牺牲天线工作频率带宽来避免影响口径效率(天线阵的增益)。因此，该加载散射对消方式中的天线阵的工作频段都较窄(8.6％-11.45％)。
自对消是指对天线阵中的部分天线单元进行差异化的设计，在不明显改变天线单元辐射性能的基础上，使得天线阵局部的散射电磁波相位发生明显改变，甚至180°反相，不同局部的散射电磁波分量在空间上进行矢量叠加后相互抵消，从而降低天线阵的散射。目前天线阵工作频段内散射自对消天线阵的设计方法采用多层板设计，不便于集成，且存在天线阵剖面高度不够低(0.1λmax，其中λmax为天线最低工作频率对应的波长)工作频带窄(11.7％)的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种宽带低剖面散射自对消天线阵解决了目前天线阵工作频段内散射自对消天线阵的设计方法采用多层板设计，不便于集成，且存在天线阵剖面高度不够低，工作频带窄的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种宽带低剖面散射自对消天线阵，包括从上至下依次设置的天线罩、天线防护材料、天线单元、天线介质材料板、支撑或者吸波材料、金属底板和宽带匹配馈电装置，所述天线单元包括基准天线单元和调相天线单元，所述基准天线单元包括m×n块基准天线单元辐射贴片、互补耦合贴片和阻抗匹配耦合贴片，所述调相天线单元包括m×n块调相天线单元辐射贴片，所述天线介质材料板通过馈电结构和金属底板与宽带匹配馈电装置连接，对基准天线单元辐射贴片和调相天线单元辐射贴片进行馈电；所述互补耦合贴片和阻抗匹配耦合贴片分别设置在基准天线单元辐射贴片的中间和两侧，所述馈电结构包括馈电片、馈电线和馈电介质材料板，所述馈电片印制在馈电介质材料板的两侧，所述馈电片通过馈电线分别与基准天线单元辐射贴片和调相天线单元辐射贴片的两个对称的3级渐变结构垂直相连，所述基准天线单元辐射贴片和调相天线单元辐射贴片组成2m×n阵列均匀印制在天线介质材料板的上表面。
进一步地：所述基准天线单元辐射贴片为3级渐变结构，分别为梯形311、矩形312、梯形313；
所述梯形311的长边长W1＝矩形312的长边长W2＝梯形313的长边长W3>梯形311的短边长W4＝梯形313的短边长W5＝矩形312的短边长W6；
所述基准天线单元辐射贴片的3级渐变结构的总长度
Figure GDA0004150511670000031
其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。
进一步地：所述调相天线单元辐射贴片为5级渐变结构，分别为梯形341、矩形342、梯形343、弧形344、弧形345；
所述梯形341的长边长W7＝矩形342的长边长W8＝梯形343的长边长W9>梯形341的短边长W10＝矩形342的短边长W11，梯形343的短边长W12＝弧形344的底边长W13，梯形341的斜边长W14＝弧形345的底边长W15。
所述调相天线单元辐射贴片的5级渐变结构的总长度
Figure GDA0004150511670000032
其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。
进一步地：所述基准天线单元和调相天线单元皆由两个对称的辐射贴片组成，基准天线单元和调相天线单元各自进行m×n的排布，在Y轴方向上的辐射单元间的距离为d1，在X轴方向上的辐射单元间的距离为d2，
Figure GDA0004150511670000033
Figure GDA0004150511670000034
其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。
进一步地：所述互补耦合贴片和阻抗匹配耦合贴片由位于基准天线单元辐射贴片中间和两侧的三角形结构组成，所述互补耦合贴片和阻抗匹配耦合贴片与辐射贴片之间的缝隙宽度W≤0.2mm。
进一步地：所述馈电片由两个2级渐变结构组成，分别为梯形521、梯形522、矩形523、矩形524；
梯形521的短边长W16＝矩形524的短边长W17<梯形522的长边长W18<梯形521的长边长W19＝矩形523的短边长W20。
进一步地：所述馈电线由两根对称位于辐射单元两侧的金属线1、金属线2组成，其中金属线1分别与矩形524的短边和基准天线单元辐射贴片或者调相天线单元辐射贴片相连。
进一步地：所述基准天线单元辐射贴片和调相天线单元辐射贴片与金属底板之间的高度H≤0.1λmax，其中λmax为天线最低工作频率对应的波长。
进一步地：所述基准天线单元与调相天线单元分别组成相等规模的子阵，并呈对称分布；基准天线单元与调相天线单元分别组成子阵的规模长×宽≧λmax×λmax，其中λmax为天线最低工作频率对应的波长。
本发明的有益效果为：本发明利用天线单元间耦合和天线-底板耦合，采用了耦合匹配设计、多级渐变结构的辐射贴片、馈电结构等技术措施实现了天线阵的低剖面、宽工作频带以及天线工作频段内类金属的散射相位特征，并以此为基础，对阵中局部天线单元进行了差异化设计，通过无阻抗匹配耦合贴片设计，差异化的多级渐变结构辐射贴片等技术措施，在工作频段低端增益相当，高端增益显著提升的同时，实现了天线阵工作频段内和工作频段外局部散射相位特征的改变，甚至180°反相，从而在空间进行矢量叠加时天线阵不同局部散射相互抵消，同时降低了天线阵在工作频段内和工作频段外的散射。
理论计算结果表明，本发明天线剖面高度小于0.086λmax(其中λmax为天线最低工作频率对应的波长)，具有76.2％的工作带宽，可在93.3％带宽内实现天线阵的散射缩减，最大散射缩减达到了21dB。与现有的自对消天线阵相比，本发明天线阵剖面高度降低了14％，天线阵的工作带宽增加了5.5倍，散射缩减带宽增加了40％，且本发明天线阵采用单层板设计，更易与集成。克服了现有自对消天线阵工作带宽窄，散射缩减带宽不足，剖面高，结构复杂不利于集成的问题。
附图说明
图1是本发明基准天线单元整体结构侧视图；
图2是本发明基准天线单元辐射贴片的俯视图；
图3是本发明调相天线单元整体结构侧视图；
图4是本发明调相天线单元辐射贴片的俯视图；
图5是本发明天线的馈电片的俯视图；
图6是本发明天线阵的整体俯视图；
图7是本发明天线阵中单元的电压驻波比曲线图；
图8(a)是本发明天线阵中辐射单元在6.5GHz时的远场辐射方向图；
图8(b)是本发明天线阵中辐射单元在8.5GHz时的远场辐射方向图；
图8(c)是本发明天线阵中辐射单元在10.5GHz时的远场辐射方向图；
图8(d)是本发明天线阵中辐射单元在12.5GHz时的远场辐射方向图；
图8(e)是本发明天线阵中辐射单元在14.5GHz时的远场辐射方向图；
图9是本发明天线阵的散射缩减对比曲线图。
其中：1、天线罩；2、天线防护材料；3、天线介质材料板；3-1、基准天线单元辐射贴片；3-1-1、梯形311；3-1-2、矩形312；3-1-3、梯形313；3-2、互补耦合贴片；3-3、阻抗匹配耦合贴片；3-4、调相天线单元辐射贴片；3-4-1、梯形341；3-4-2、矩形342；3-4-3、梯形343；3-4-4、弧形344；3-4-4、弧形345；4、支撑或者吸波材料；5、馈电结构；5-1、馈电线；5-1-1、金属线1；5-1-2、金属线2；5-2、馈电片；5-2-1、梯形521；5-2-2、梯形522；5-2-3、矩形523；5-2-4、矩形524；5-3、馈电介质材料板；6、金属底板；7、宽带匹配馈电装置。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图3、图5和图6所示，一种宽带低剖面散射自对消天线阵，包括从上至下依次设置的天线罩1、天线防护材料2、天线单元、天线介质材料板3、支撑或者吸波材料4、金属底板6和宽带匹配馈电装置7，所述天线单元包括基准天线单元和调相天线单元，所述基准天线单元包括m×n块基准天线单元辐射贴片3-1、互补耦合贴片3-2和阻抗匹配耦合贴片3-3，所述调相天线单元包括m×n块调相天线单元辐射贴片3-4，所述天线介质材料板3通过馈电结构5和金属底板6与宽带匹配馈电装置7连接，对基准天线单元辐射贴片3-1和调相天线单元辐射贴片3-4进行馈电；所述互补耦合贴片3-2和阻抗匹配耦合贴片3-3分别设置在基准天线单元辐射贴片3-1的中间和两侧，所述馈电结构5包括馈电片5-2、馈电线5-1和馈电介质材料板5-3，所述馈电片5-2印制在馈电介质材料板5-3的两侧，所述馈电片5-2通过馈电线5-1分别与基准天线单元辐射贴片3-1和调相天线单元辐射贴片3-4的两个对称的3级渐变结构垂直相连，所述基准天线单元辐射贴片3-1和调相天线单元辐射贴片3-4组成2m×n阵列均匀印制在天线介质材料板3的上表面。馈电线5-1由两根对称位于辐射单元两侧的金属线组成，分别为金属线15-1-1、金属线25-1-2，其中金属线15-1-1分别与矩形5245-2-4的短边和基准天线单元辐射贴片3-1或者调相天线单元辐射贴片3-4相连。
如图2所示，基准天线单元辐射贴片3-1由3级渐变结构组成，分别为梯形311 3-1-1、矩形312 3-1-2、梯形313 3-1-3，其中梯形311 3-1-1的长边长W1＝矩形312 3-1-2的长边长W2＝梯形313 3-1-3的长边长W3>梯形311 3-1-1的短边长W4＝梯形313 3-1-3的短边长W5＝矩形312 3-1-2的短边长W6，且3级渐变结构的总长度
Figure GDA0004150511670000071
其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。基准天线单元互补耦合贴片3-2和阻抗匹配耦合贴片3-3由位于辐射贴片3-1中间和两侧的三角形结构组成，与辐射贴片3-1之间的缝隙宽度W≤0.2mm。
如图4所示，调相天线单元辐射贴片3-4为5级渐变结构，分别为梯形3413-4-1、矩形342 3-4-2、梯形343 3-4-3、弧形344 3-4-4、弧形345 3-4-5；所述梯形341 3-4-1的长边长W7＝矩形342 3-4-2的长边长W8＝梯形343 3-4-3的长边长W9>梯形341 3-4-1的短边长W10＝矩形342 3-4-2的短边长W11，梯形343 3-4-3的短边长W12＝弧形344 3-4-4的底边长W13，梯形341 3-4-1的斜边长W14＝弧形345 3-4-5的底边长W15。所述调相天线单元辐射贴片3-4的5级渐变结构的总长度
Figure GDA0004150511670000072
其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。
如图5所示，馈电片5-2由两个2级渐变结构组成，分别为梯形521 5-2-1、梯形5225-2-2、矩形523 5-2-3、矩形524 5-2-4；梯形521 5-2-1的短边长W16＝矩形524 5-2-4的短边长W17<梯形522 5-2-2的长边长W18<梯形521 5-2-1的长边长W19＝矩形523 5-2-3的短边长W20。
如图1、图3和图6所示，基准天线单元和调相天线单元皆由两个对称的辐射贴片组成，基准天线单元和调相天线单元各自进行m×n的排布，在Y轴方向上的辐射单元间的距离为d1，在X轴方向上的辐射单元间的距离为d2，0<d2≤λmin/2<d1≤λmin，其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。基准天线单元辐射贴片3-1和调相天线单元辐射贴片3-4与金属底板6之间的高度H≤0.1λmax，其中λmax为天线最低工作频率对应的波长。基准天线单元与调相天线单元分别组成相等规模的子阵，且子阵的规模(长×宽)≧λmax×λmax，其中λmax为天线最低工作频率对应的波长。并且两个子阵呈对称分布。
根据上述结构本发明给出以下天线实例：
实例1，12×12元的宽带低剖面散射自对消天线阵，其中基准天线单元和调相天线单元分别组成12×6元的两个呈对称分布的子阵。
天线介质材料板，选择长为123mm，宽为123mm，厚度为0.127mm，介电常数为2.2的Rogers RT介质板。
馈电介质材料板，选择长为4mm，宽为1.5mm，厚度为0.254mm，介电常数为2.2的Rogers RT介质板。
基准天线单元和调相天线单元分别组成12×6阵列均匀印制在天线介质材料板的上表面，在Y轴方向上的单元间距为10.25mm，在Z轴方向上的单元间距为20.5mm。
基准天线单元辐射贴片中的梯形311 3-1-1的长边长为10.2mm，短边长为0.1mm。
调相天线单元辐射贴片中的梯形341 3-4-1的长边长为10.125mm，短边长0.1mm。矩形342 3-4-2短边长为0.125mm,梯形343 3-4-3短边长为2.25mm。
基准天线单元互补耦合贴片3-2、阻抗匹配耦合贴片调相天线单元辐射贴片与基准天线单元辐射贴片3-1之间的缝隙宽度为0.1mm。
馈电片5-2中的梯形521 5-2-1的长边长为1.5mm，短边长为0.1mm，梯形522 5-2-2的长边长为0.3mm，短边长为0.1mm，矩形523 5-2-3的长边长为2mm，短边长为1.5mm，矩形524 5-2-4的长边长为0.5mm，短边长为0.1mm。
基准天线单元辐射贴片和调相天线单元辐射贴片与金属底板之间的高度为4mm。
本发明的优点可通过一下仿真进一步说明：
1、仿真内容
利用仿真软件对上述实施例1天线的电压驻波比、远场方向图和雷达散射截面进行了仿真。
2、仿真结果
图7为对实施例1天线仿真得到的阵中单元的电压驻波比曲线图。从图7可见，本发明天线在电压驻波比小于4的条件下，具有6.5GHz-14.5GHz的工作频带，这说明本发明天线具有很好的宽带工作性能。
图8(a)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在6.5GHz时仿真得到的YOZ面的远场方向图。从图8(a)中可以看出，在6.5GHz时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，基准天线单元和调相天线单元的最大增益分别为0.7dB和0.4dB。
图8(b)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在8.5GHz时仿真得到的YOZ面的远场方向图。从图8(b)中可以看出，在8.5GHz时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，基准天线单元和调相天线单元的最大增益分别为2.6dB和3.1dB。
图8(c)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在10.5GHz时仿真得到的YOZ面的远场方向图。从图8(c)中可以看出，在10.5GHz时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，基准天线单元和调相天线单元的最大增益分别为4.5dB和4.6dB。
图8(d)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在12.5GHz时仿真得到的YOZ面的远场方向图。从图8(d)中可以看出，在12.5GHz时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，基准天线单元和调相天线单元的最大增益分别为5.4dB和6.4dB。
图8(e)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在14.5GHz时仿真得到的YOZ面的远场方向图。从图8(e)中可以看出，在14.5GHz时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，基准天线单元和调相天线单元的最大增益分别为3.3dB和7.9dB。
图9为对实施例1中的天线阵的典型雷达散射截面曲线图。从图9中可以看出本天线阵可在6GHz-16.5GHz(93.3％)带宽内实现天线阵的散射缩减，且最大散射缩减达到了21dB。

Claims (7)

1.一种宽带低剖面散射自对消天线阵，包括从上至下依次设置的天线罩(1)、天线防护材料(2)、天线单元、天线介质材料板(3)、支撑或者吸波材料(4)、金属底板(6)和宽带匹配馈电装置(7)，所述天线单元包括基准天线单元和调相天线单元，所述基准天线单元包括m×n块基准天线单元辐射贴片(3-1)、互补耦合贴片(3-2)和阻抗匹配耦合贴片(3-3)，所述调相天线单元包括m×n块调相天线单元辐射贴片(3-4)，所述天线介质材料板(3)通过馈电结构(5)和金属底板(6)与宽带匹配馈电装置(7)连接，对基准天线单元辐射贴片(3-1)和调相天线单元辐射贴片(3-4)进行馈电；其特征在于，所述互补耦合贴片(3-2)和阻抗匹配耦合贴片(3-3)分别设置在基准天线单元辐射贴片(3-1)的两侧，所述馈电结构(5)包括馈电片(5-2)、馈电线(5-1)和馈电介质材料板(5-3)，所述馈电片(5-2)印制在馈电介质材料板(5-3)的两侧，所述馈电片(5-2)通过馈电线(5-1)分别与基准天线单元辐射贴片(3-1)和调相天线单元辐射贴片(3-4)垂直相连，所述基准天线单元辐射贴片(3-1)和调相天线单元辐射贴片(3-4)组成2m×n阵列均匀印制在天线介质材料板(3)的上表面；
所述基准天线单元辐射贴片(3-1)为3级渐变结构，分别为梯形311(3-1-1)、矩形312(3-1-2)、梯形313(3-1-3)；
所述梯形311(3-1-1)的长边长W1＝矩形312(3-1-2)的长边长W2＝梯形313(3-1-3)的长边长W3>梯形311(3-1-1)的短边长W4＝梯形313(3-1-3)的短边长W5＝矩形312(3-1-2)的短边长W6；
所述基准天线单元辐射贴片(3-1)的3级渐变结构的总长度其中λmin为天线最高工作频率对应的波长；
所述调相天线单元辐射贴片(3-4)为5级渐变结构，分别为梯形341(3-4-1)、矩形342(3-4-2)、梯形343(3-4-3)、弧形344(3-4-4)、弧形345(3-4-5)；
所述梯形341(3-4-1)的长边长W7＝矩形342(3-4-2)的长边长W8＝梯形343(3-4-3)的长边长W9>梯形341(3-4-1)的短边长W10＝矩形342(3-4-2)的短边长W11，梯形343(3-4-3)的短边长W12＝弧形344(3-4-4)的底边长W13，梯形341(3-4-1)的斜边长W14＝弧形345(3-4-5)的底边长W15；
所述调相天线单元辐射贴片(3-4)的5级渐变结构的总长度其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。
2.根据权利要求1所述的宽带低剖面散射自对消天线阵，其特征在于，所述基准天线单元和调相天线单元皆由两个对称的辐射贴片组成，基准天线单元和调相天线单元各自进行m×n的排布，在Y轴方向上的辐射单元间的距离为d1，在X轴方向上的辐射单元间的距离为d2，其中λmin为天线最高工作频率对应的波长。
3.根据权利要求1所述的宽带低剖面散射自对消天线阵，其特征在于，所述互补耦合贴片(3-2)和阻抗匹配耦合贴片(3-3)由位于基准天线单元辐射贴片(3-1)中间和两侧的三角形结构组成，所述互补耦合贴片(3-2)和阻抗匹配耦合贴片(3-3)与基准天线单元辐射贴片(3-1)之间的缝隙宽度W≤0.2mm。
4.根据权利要求1所述的宽带低剖面散射自对消天线阵，其特征在于，所述馈电片(5-2)由两个2级渐变结构组成，分别为梯形521(5-2-1)、梯形522(5-2-2)、矩形523(5-2-3)、矩形524(5-2-4)；
梯形521(5-2-1)的短边长W16＝矩形524(5-2-4)的短边长W17<梯形522(5-2-2)的长边长W18<梯形521(5-2-1)的长边长W19＝矩形523(5-2-3)的短边长W20。
5.根据权利要求1所述的宽带低剖面散射自对消天线阵，其特征在于，所述馈电线(5-1)由两根对称位于辐射单元两侧的金属线1(5-1-1)、金属线2(5-1-2)组成，其中金属线1(5-1-1)分别与矩形524(5-2-4)的短边和基准天线单元辐射贴片(3-1)或者调相天线单元辐射贴片(3-4)相连。
6.根据权利要求1所述的宽带低剖面散射自对消天线阵，其特征在于，所述基准天线单元辐射贴片(3-1)和调相天线单元辐射贴片(3-4)与金属底板(6)之间的高度H≤0.1λmax，其中λmax为天线最低工作频率对应的波长。
7.根据权利要求1所述的宽带低剖面散射自对消天线阵，其特征在于，所述基准天线单元与调相天线单元分别组成相等规模的子阵，并呈对称分布；基准天线单元与调相天线单元分别组成子阵的规模长×宽≧λmax×λmax，其中λmax为天线最低工作频率对应的波长。
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