CN114552199B - 具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有RCS缩减的Fabry‑Perot谐振腔天线。这种谐振腔天线是由上下两层板构成，下层板的上表面贴有贴片天线并伴有“工”字形的EBG结构，下表面是金属地板，上层板包含了两层超表面结构既作为缩减RCS的功能层，又作为谐振腔天线的反射层，每层超表面上下表面分别加载不同超材料结构。本发明的具有RCS缩减Fabry‑Perot谐振腔天线采用了相位超材料进行带内RCS缩减，与一般F_P天线相比，实现了谐振腔天线带内RCS缩减的功能，并且采用了吸波器的单元结构，通过对带外进行吸波来缩减带外RCS的功能，在实现具有RCS缩减功能F‑P谐振腔天线的研发中有着重要的价值。

Description

具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种加载超表面的具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线。
背景技术
Fabry-Perot谐振腔天线一般是上下两层平行结构，下层介质板的上表面放置一个馈源天线，下表面是金属地板，上层为部分反射层（Partially Reflective Surface,PRS），上下两层结构形成一个Fabry-Perot谐振腔结构，此结构无需复杂的馈电网络就可以提升天线增益。当腔体达到某种谐振条件时，下表面辐射器发射的电磁波透射过上层PRS结构之后可实现同相叠加，以此提升天线的增益并锐化其波束宽度。但是传统的Fabry-Perot谐振腔天线一般不具备RCS缩减功能。
随着缩减RCS技术的不断发展，一个超材料单元之中已可以同时实现带内散射和带外吸波来实现RCS缩减的功能，通过这种方式能够达到降低天线RCS的目的。考虑到当前的电磁环境日益复杂，研究加载超表面的具有RCS缩减功能的Fabry-Perot谐振腔天线具有重要的理论和工程意义。
通常具有RCS缩减功能的F_P天线，能够实现的RCS缩减频带较窄，缩减RCS效果较差，在设计宽带RCS缩减的天线设计中，既需要考虑带内RCS缩减的技术手段，又需要考虑带外RCS缩减的实现方法，来满足宽带RCS缩减的天线设计。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有RCS缩减功能的Fabry-Perot谐振腔天线，能有效解决传统具有RCS缩减功能的Fabry-Perot谐振腔天线雷达散射面积较大的现状。为实现谐振腔天线多功能化提供重要的技术支持，具有重要的价值。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有RCS缩减功能的Fabry-Perot谐振腔天线，谐振腔天线包括上层板和下层板，所述下层板的上表面贴有贴片天线，所述贴片四周分布“工”字形的EBG结构，所述下层板下表面为金属地板；所述上层板包含两层超表面PRS介质板，分别为第一超表面介质板和第二超表面介质板，每层超表面介质板的上、下表面分别加载不同超材料结构；其中，第一超表面介质板的上表面及下表面均设有折叠“工”字形吸波结构，且设置两层吸波结构关于中心呈一定旋转角度；第二超表面介质板的上表面设有编码后的金属方形贴片，下表面设有金属贴片；所述上层板与下层板之间以及上层板的两层超表面PRS介质板之间皆为空气腔。
作为优选，第一超表面介质板的四角对称放置若干个折叠“工”字形吸波结构单元，所述折叠“工”字形吸波结构为“工”字形的吸波结构加以弯折处理，即将“工”字形的中间部分连续若干次弯折，并保持呈中心对称。
作为优选，编码后的金属方形贴片为边长不一的若干金属方形贴片规则/不规则排布，彼此之间构成相位梯度，以实现天线带内的RCS缩减功能。
作为优选，下层介质板的上表面与第二超表面介质板的下表面之间的空气腔体高度为h1，第二超表面介质板的上表面和第一超表面介质板的下表面之间的空气腔体高度为h2，h1＞h2。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1. 采用了宽带缩减RCS的技术，具体形式为在8-12GHz设计了一种散射表面，实现了天线带内RCS的缩减，同时又对带外进行吸波表面的设计，有效缩减了带外RCS；
2. 采用了相位梯度表面和吸波表面的一体化设计，从而设计了一种能同时具有吸波-散射特性的RCS缩减表面；
3.将前述RCS表面与F-P天线相结合，既可以实现高增益笔形波束的辐射又可以同时降低天线的RCS。
附图说明
图1 是本发明一个实施例的谐振腔天线的结构侧视图；
图2（a）是本发明一个实施例的谐振腔天线的上层板中第二超表面单元中下表面结构示意图
图2（b）是本发明一个实施例的谐振腔天线的上层板中第二超表面单元中上表面结构示意图；
图3 是本发明一个实施例的谐振腔天线的上层板中第二超表面的上表面示意图；
图4（a）是本发明一个实施例的谐振腔天线的上层板中第一超表面单元中上表面结构示意图；
图4（b）是本发明一个实施例的谐振腔天线的上层板中第一超表面单元中下表面结构示意图；
图5（a）是本发明一个实施例的谐振腔天线的下层板贴片天线结构示意图；
图5（b）是本发明一个实施例的谐振腔天线的下层板贴片天线结构侧视图；
图6（a）是本发明一个实施例的仿真结果图的S11图；
图6（b）是本发明一个实施例的仿真结果图的频率-增益图；
图6（c）是本发明一个实施例的仿真结果图的方向图；
图6（d）是本发明一个实施例的谐振腔天线的仿真结果图的RCS缩减效果图。
附图标记：1-电阻，2-第一超表面介质板，3-第二超表面介质板，4-贴片天线，5-工字型EBG结构，6-金属地板。
具体实施方式
为了更加清楚明白地阐明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线，通过“工”字形的吸波面实现吸波效果，通过编码后的金属方形贴片实现散射效果。通常，采用单层散射的PGM结构，只能实现40%相对带宽的散射隐身频带，且引入吸波器会带来天线增益下降，因此本发明在设计时针对天线工作频带，使用散射功能层进行缩减RCS处理；另外通过设计一种能够带外进行吸波的吸波器，有效扩展了RCS缩减带宽，最终实现了在不影响天线高增益辐射性能的情况下仍然具有低RCS的高增益天线设计。
如图1至图5（a）、图5（b）所示，本发明实施例的具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线为三层结构，包括上层板和下层板，其中，上层板包括两层超表面PRS介质板，为第一超表面介质板2和第二超表面介质板3，即第一超表面介质板2、第二超表面介质板3以及下层板共同构成谐振腔天线的层间结构，且层间皆为空气腔，空气腔的高度分别为h2和h1，且h2＜h1。
如图2（a）、图2（b）所示，为第二超表面介质板的下表面及上表面放置的金属方形贴片单元示意图，其中下表面放置的金属方形贴片单元的边长为wc，上表面放置的能够构成相位梯度的若干金属方形贴片的边长为wi，金属方形贴片的边长不一，p为超材料单元的周期。上表面金属方形贴片规律的排列方式和随机排列方式都可以达到缩减RCS的效果。如图3所示，本实施例中第二超表面介质板的上表面采用四种边长的金属方形贴片，按9*9矩阵周期排列。
如图4（a）、图4（b）所示，第一超表面介质板2的上表面放置小型化/折叠 “工”字形吸波结构，在该介质板的下表面以中点为原点旋转一定角度放置所述折叠 “工”字形吸波结构，“工”字形吸波结构单元的中心点处设有电阻1，本实施例取电阻值为100欧姆。折叠“工”字形吸波结构为单元尺寸小型化的吸波单元，即“工”字形的中间部分的连续四次弯折，且形状关于“工”字形呈中心对称，使得吸波结构的路径变长，在达到同等的吸波效果的前提下，占用的单元面积变小。本实施例中将第一超表面介质板2介质板的上表面的折叠“工”字形吸波结构按顺时针/逆时针旋转90°的方向设置在该介质板的下表面，以形成一个2位编码。其中，之所以采用2位编码的原因是：为了实现相位梯度为90°，并且满足全相位360°覆盖，这时一共需要360°/90°=4种编码单元，而二进制00，01，10，11共四种可将上述所设计的编码单元进行命名，相关散射原理服从广义斯涅尔反射定律，可以对不同入射方向的电磁波的反射角进行计算求解。
如图5（a）、图5（b）所示，下层板的上表面贴有长、宽分别为x,y的贴片天线4，下表面是金属地板6，贴片天线4的四周按一定周期均匀分布工字型EBG结构5，其目的是为了控制天线的剖面高度。
其中各参数为：
x=8.9mm,y=9mm,h=1.6mm,l1=4mm,l2=5.4mm,wc=11.6,wi(i=1,2,3,4)=4.6mm,7.66mm,8.8mm,11.5mm;h1=14.4mm,h2=5mm。即超表面单元的周期为12mm，第二超表面介质板的下表面的方形贴片的边长wc为11.6mm，第二超表面介质板的上表面四种方形贴片的边长wi分别为4.6mm、7.66mm、8.8mm、11.5mm；第一超表面介质板的上下表面印刷小型化后的折叠 “工”字形吸波结构表面纵向长度l2为5.4mm，横向长度l1为4mm；贴片天线与超表面下表面空气腔体的高度h1设计为14.4mm，下层超表面上表面和上层超表面的下表面的空气腔体高度h2为5mm,最下层驱动天线的介质基板厚度h为1.6mm，贴片天线的长度x为8.9mm，宽度y为9mm。
本发明采用了宽带RCS缩减技术，通过散射和吸波的原理，有效的解决了传统天线RCS较大的问题，并且设计天线相关辐射特性良好。
根据Fabry-Perot谐振腔天线的工作频段，介质基底的材料可选择RogersRT5880，FR4等，金属结构材料可选择导电性好、性质稳定的金属，如铜、金和铝等。
在本实施例中，具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线工作在厘米波波段，下层介质基底采用Rogers RT5880高频微波板，厚度为1.6mm，采用标准PCB加工工艺在介质基底上表面制作相应尺寸的贴片天线，下表面附着金属地板；上层的两个超表面的介质板同样采用Rogers RT5880高频微波板，上下表面厚度分别为0.254mm和2mm，采用标准PCB加工工艺在介质基底上制作9×9的金属周期阵列，总的尺寸为108×108mm2，金属结构厚度采用20μm厚度的铜。
图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（d）给出了具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线的仿真结果图，图6（a）为谐振腔天线的S11，图6（b）为谐振腔天线的频率-增益图，图6（c）为谐振腔天线的方向图，图6（d）为谐振腔天线的RCS缩减效果图。
根据图6（a）、图6（b）、图6（c）、图6（d）给出的仿真结果图，可以看出具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线工作状态良好且在8.91GHz-10.01GHz频点处提高贴片天线的增益，尤其是在10GHz处使得贴片天线的增益得到9dB的大幅度提升。该宽带Fabry-Perot谐振腔天线在工作频带内的最低增益为14.8dBi，最高增益为15.8dBi，天线方向图也显示出，所设计天线辐射波束为Fabry-Perot天线辐射出的笔形波束。对比相同尺寸的天线可以看出，所设计具有RCS缩减功能的天线在3-20GHz处具有明显RCS缩减功能。
本发明的具有RCS缩减Fabry-Perot谐振腔天线采用了相位超材料进行带内RCS缩减，与一般F_P天线相比，实现了谐振腔天线带内RCS缩减的功能，并且采用了吸波器的单元结构，通过对带外进行吸波来缩减带外RCS的功能，在实现具有RCS缩减功能F-P谐振腔天线的研发中有着重要的价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，并不用以限制本发明。应当指出：凡在本发明精神和原则之内所做出任何改进和润饰，均应视为本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，所述谐振腔天线包括上层板和下层板，所述下层板的上表面贴有贴片天线，所述贴片四周分布“工”字形的EBG结构，所述下层板下表面为金属地板；所述上层板包含两层超表面PRS介质板，分别为第一超表面介质板和第二超表面介质板，每层超表面介质板的上、下表面分别加载不同超材料结构；
其中，第一超表面介质板的上表面及下表面均设有折叠“工”字形吸波结构，包括呈中心对称的4个折叠“工”字形吸波结构单元，且两层折叠“工”字形吸波结构关于中心呈90°的旋转角度，以形成一个2位编码、4种编码单元，通过二进制00、01、10、11表示4种编码单元，基于4种编码单元不同的响应实现宽带RCS缩减；
折叠“工”字形吸波结构单元的中心点处设有100Ω的电阻，且“工”字形的中间部分连续四次弯折，并保持呈中心对称，所述折叠“工”字形吸波结构单元整体尺寸为5.4*4mm，第一超表面介质板的超材料周期为12mm；
第二超表面介质板的上表面设有编码后的金属方形贴片，下表面设有金属贴片，其中，编码后的金属方形贴片为边长为4.6mm、7.66mm、8.8mm、11.5mm的若干金属方形贴片规则/不规则排布，彼此之间构成相位梯度，以实现天线带内的RCS缩减功能；
所述上层板与下层板之间以及上层板的两层超表面PRS介质板之间皆为空气腔；通过“工”字形的吸波面实现吸波效果，通过编码后的金属方形贴片实现散射效果，实现3-20GHzRCS缩减带宽。
2.根据权利要求1所述的具有RCS缩减的Fabry-Perot谐振腔天线，其特征在于，下层板的上表面与第二超表面介质板的下表面之间的空气腔体高度为h1，第二超表面介质板的上表面和第一超表面介质板的下表面之间的空气腔体高度为h2，h1＞h2。
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Denomination of invention: Fabry Perot resonant cavity antenna with RCS reduction

Effective date of registration: 20231010

Granted publication date: 20220816

Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nanjing Hexi sub branch

Pledgor: Nanjing Huacheng Microwave Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980060388