CN114865296B - 一种宽带磁电偶极子隐身天线 - Google Patents

一种宽带磁电偶极子隐身天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带磁电偶极子隐身天线，该天线包括上层金属贴片、介质基板、下层金属贴片，上层金属贴片包括由第一和第二金属片按照随机排布方式组成的外围金属片阵列，以及位于阵列中心的第三～七金属片；第一、二金属片结构相同且均呈船型结构；第三～六金属片呈田字分布，中间形成十字形缝隙；第三～六金属片的内侧分别设置一组金属通孔；第七金属片为矩形金属片，设置于十字形缝隙的纵向缝隙中，第七金属片的底部边缘设置第一通孔；介质基板、下层金属贴片被第一～四组金属通孔和第一通孔贯穿；下层金属贴片设置第二通孔用于输入能量。本发明在满足辐射性能的前提下实现了天线隐身，具有低成本、宽频带、高增益、低雷达散射截面等优点。

Description

一种宽带磁电偶极子隐身天线
技术领域
本发明涉及隐身天线技术领域，特别是一种宽带磁电偶极子隐身天线。
背景技术
随着现代超视距战争的发展，雷达散射截面(RCS)缩减技术在军事斗争中具有重要意义。天线作为飞行平台上的电磁开放窗口，是制约整个飞行平台雷达散射截面缩减的瓶颈。传统的天线雷达散射截面缩减方式：加载吸波材料、改变天线的外形结构等。这些方式往往会牺牲天线的辐射性能。因此开发可以兼顾辐射性能和雷达散射截面缩减效果的天线是十分必须的。
随着对超表面的深入研究，超表面在一定频率下，经过合理的布局和设计，可以实现雷达散射截面的缩减。在此基础上，将超表面与天线进行结合作为隐身天线设计的一个新思路，可以在保证天线辐射性能的同时降低天线的雷达散射截面。但是目前存在的隐身天线结构复杂，成本高，工作带宽窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、容易实现的宽带磁电偶极子隐身天线，使天线的通信频带得到拓宽，并具有雷达散射截面RCS缩减功能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带磁电偶极子隐身天线，包括由上至下设置的上层金属贴片、介质基板、下层金属贴片，其中：
所述上层金属贴片包括由多个第一金属片和多个第二金属片按照随机排布方式组成的外围金属片阵列，以及位于阵列中心的第三～第七金属片；所述第一金属片、第二金属片结构相同且均呈船型结构，所述船型结构包括中间的矩形金属片，矩形金属片的上下对称设置弧形贴片、左右对称设置三角弧形贴片；第一金属片的矩形金属片由竖直方向朝左旋转45度，第二金属片的矩形金属片由竖直方向朝右旋转45度；第三～第六金属片为呈田字分布的正方形金属片，第三金属片、第四金属片、第五金属片、第六金属片顺次设置于田字的左上、左下、右下、右上，中间形成十字形缝隙；第三～第六金属片的内侧分别设置一组金属通孔，依次为第一～第四组金属通孔，每组金属通孔的数量为3个；第七金属片为矩形金属片，设置于十字形缝隙的纵向缝隙中，第七金属片的底部边缘设置第一通孔；
所述介质基板被第一～第四组金属通孔和第一通孔贯穿；
所述下层金属贴片由贯穿介质基板的第一～第四组金属通孔以及第二通孔组成，第二通孔的半径大于第一通孔，且第二通孔用于输入能量。
进一步地，所述第一金属片的主体为第一矩形金属片，该第一矩形金属片的上下两侧分别增加第一弧形贴片和第二弧形贴片，左右两侧分别增加第一三角弧形贴片和第二三角弧形贴片；
所述第二金属片的主体为第二矩形金属片，该第二矩形金属片的上下两侧分别增加第三弧形贴片和第四弧形贴片，左右两侧分别增加第三三角弧形贴片和第四三角弧形贴片。
进一步地，所述第一弧形贴片和第二弧形贴片结构尺寸完全相同且对称设置于第一矩形金属片上下两侧，第一三角弧形贴片和第二三角弧形贴片结构尺寸完全相同且对称设置于第一矩形金属片左右两侧；
第三弧形贴片和第四弧形贴片结构尺寸完全相同且对称设置于第二矩形金属片上下两侧，第三三角弧形贴片和第四三角弧形贴片结构尺寸完全相同且对称设置于第二矩形金属片左右两侧。
进一步地，第三金属片、第四金属片、第五金属片、第六金属片分别将正方形金属片的左上、左下、右下、右上边缘角设置成弧形角，每个金属片大小相同，其中第三、四金属片和第五、六金属片关于中心轴对称，第三、六金属片和第四、五金属片关于中心轴对称。
进一步地，第三金属片、第四金属片、第五金属片、第六金属片，具体如下：
第三金属片将左上角的直角换成弧形角，并在右下角边缘处设有3个直径相等的第一组金属通孔；
第四金属片将左下角的直角换成弧形角，并在右上角边缘处设有3个直径相等的第二组金属通孔；
第五金属片将右下角的直角换成弧形角，并在左上角边缘处设有3个直径相等的第三组金属通孔；
第六金属片将右上角的直角换成弧形角，并在左下角边缘处设有3个直径相等的第四组金属通孔；
所述第一～第四组金属通孔的直径相同；所述第七金属片设置于第三、四金属片和第五、六金属片之间的缝隙中，所述第一通孔的直径小于第一～第四组金属通孔的直径。
进一步地，能量通过第二通孔输入，经第一通孔传输到第七金属片后，耦合到四周的第三～第六金属片；当电磁波照射到天线表面时，第一金属片与第二金属片的反射相位差为180°，实现雷达散射截面RCS缩减，即实现隐身功能。
进一步地，第一金属片的数量为114个，第二金属片的数量为106个，114个第一金属片和106个第二金属片以随机排列的方式组成阵组成外围金属片阵列。
进一步地，上层金属贴片的第一、第二组金属通孔和第三、第四组金属通孔对称分布于第七金属片的两侧。
进一步地，第三金属片、第四金属片、第五金属片、第六金属片和第七金属片位于上层金属贴片的正中间。
进一步地，介质基板厚度为2mm，天线的整体高度为2mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)将天线放置在介质基板中心位置，四周环绕由船型金属片组成的阵列，保证天线在具有良好辐射性能的基础上，实现了带内和带外的雷达散射截面(RCS)缩减，即天线的隐身功能；(2)将磁电偶极子天线的辐射贴片改为上下左右对称的正方形贴片，并将其中的直角换成弧形，减少电磁波反射，拓宽天线的阻抗带宽，获得稳定的辐射模式；(3)采用单层FR4介质基板，成本低、结构简单、易于集成。
附图说明
图1是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的侧视图。
图2是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的上层金属贴片电路图。
图3是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的介质基板辐射图。
图4是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的下层金属贴片电路图。
图5是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的第一金属贴片和第二金属贴片结构图。
图6是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的S11曲线图。
图7是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的增益曲线图。
图8是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的雷达散射截面RCS曲线图。
图9是本发明宽带磁电偶极子隐身天线在15GHz的辐射方向图。
具体实施方式
本发明宽带磁电偶极子隐身天线，为提高天线结果的精确度，采用通孔形式馈电，并且这种方式成本低，安装简单；将天线放置在介质基板中心位置，四周环绕由船型金属片组成的阵列，既可以实现天线辐射特性，又可以实现带内带外雷达散射截面(RCS)缩减，即天线的隐身功能，避免使用多层结构，降低成本；将磁电偶极子天线的辐射贴片改为上下左右对称的正方形贴片，并将其中的直角换成弧形，减少电磁波反射，拓宽天线的阻抗带宽，获得稳定的辐射模式。
结合图1，本发明一种宽带磁电偶极子隐身天线，包括由上至下设置的上层金属贴片1、介质基板2、下层金属贴片3，其中：
所述上层金属贴片1包括由多个第一金属片11和多个第二金属片12按照随机排布方式组成的外围金属片阵列，以及位于阵列中心的第三～第七金属片13、14、15、16、17；所述第一金属片11、第二金属片12结构相同且均呈船型结构，所述船型结构包括中间的矩形金属片，矩形金属片的上下对称设置弧形贴片、左右对称设置三角弧形贴片；第一金属片11的矩形金属片由竖直方向朝左旋转45度，第二金属片12的矩形金属片由竖直方向朝右旋转45度；第三～第六金属片13、14、15、16为呈田字分布的正方形金属片，第三金属片13、第四金属片14、第五金属片15、第六金属片16顺次设置于田字的左上、左下、右下、右上，中间形成十字形缝隙；第三～第六金属片13、14、15、16的内侧分别设置一组金属通孔，依次为第一～第四组金属通孔21、22、23、24，每组金属通孔的数量为3个；第七金属片17为矩形金属片，设置于十字形缝隙的纵向缝隙中，第七金属片17的底部边缘设置第一通孔25；
所述介质基板2被第一～第四组金属通孔21、22、23、24和第一通孔25贯穿；
所述下层金属贴片3由贯穿介质基板2的第一～第四组金属通孔21、22、23、24以及第二通孔31组成，第二通孔31的半径大于第一通孔25，且第二通孔31用于输入能量。
作为一种具体示例，所述第一金属片11的主体为第一矩形金属片115，该第一矩形金属片115的上下两侧分别增加第一弧形贴片111和第二弧形贴片112，左右两侧分别增加第一三角弧形贴片113和第二三角弧形贴片114；
所述第二金属片12的主体为第二矩形金属片125，该第二矩形金属片125的上下两侧分别增加第三弧形贴片121和第四弧形贴片122，左右两侧分别增加第三三角弧形贴片123和第四三角弧形贴片124。
作为一种具体示例，所述第一弧形贴片111和第二弧形贴片112结构尺寸完全相同且对称设置于第一矩形金属片115上下两侧，第一三角弧形贴片113和第二三角弧形贴片114结构尺寸完全相同且对称设置于第一矩形金属片115左右两侧；
第三弧形贴片121和第四弧形贴片122结构尺寸完全相同且对称设置于第二矩形金属片125上下两侧，第三三角弧形贴片123和第四三角弧形贴片124结构尺寸完全相同且对称设置于第二矩形金属片125左右两侧。
作为一种具体示例，第三金属片13、第四金属片14、第五金属片15、第六金属片16分别将正方形金属片的左上、左下、右下、右上边缘角设置成弧形角，每个金属片大小相同，其中第三、四金属片13、14和第五、六金属片15、16关于中心轴对称，第三、六金属片13、16和第四、五金属片14、15关于中心轴对称。
作为一种具体示例，第三金属片13、第四金属片14、第五金属片15、第六金属片16，具体如下：
第三金属片13将左上角的直角换成弧形角，并在右下角边缘处设有3个直径相等的第一组金属通孔21；
第四金属片14将左下角的直角换成弧形角，并在右上角边缘处设有3个直径相等的第二组金属通孔22；
第五金属片15将右下角的直角换成弧形角，并在左上角边缘处设有3个直径相等的第三组金属通孔23；
第六金属片16将右上角的直角换成弧形角，并在左下角边缘处设有3个直径相等的第四组金属通孔24；
所述第一～第四组金属通孔21、22、23、24的直径相同；所述第七金属片17设置于第三、四金属片13、14和第五、六金属片15、16之间的缝隙中，所述第一通孔25的直径小于第一～第四组金属通孔21、22、23、24的直径。
作为一种具体示例，能量通过第二通孔31输入，经第一通孔25传输到第七金属片17后，耦合到四周的第三～第六金属片13、14、15、16；当电磁波照射到天线表面时，第一金属片11与第二金属片12的反射相位差为180°，实现雷达散射截面RCS缩减，即实现隐身功能。
作为一种具体示例，第一金属片11的数量为114个，第二金属片12的数量为106个，114个第一金属片11和106个第二金属片12以随机排列的方式组成阵组成外围金属片阵列。
作为一种具体示例，上层金属贴片1的第一、第二组金属通孔21、22和第三、第四组金属通孔23、24对称分布于第七金属片17的两侧。
作为一种具体示例，第三金属片13、第四金属片14、第五金属片15、第六金属片16和第七金属片17位于上层金属贴片1的正中间。
作为一种具体示例，介质基板2厚度为2mm，天线的整体高度为2mm。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
结合图1～图5，本发宽带磁电偶极子隐身天线，包括上层金属贴片1、介质基板2、下层金属贴片3；所述上层金属贴片1由两大部分组成，第一部分是由114个第一金属片11和106个第二金属片12组成的外围，第一金属片11、第二金属片12结构类似，以第一金属片11为例：第一矩形金属片115外侧环绕两个完全相同且对称的第一弧形贴片111和第二弧形贴片112，以及两个完全相同且对称的第一三角弧形贴片113和第二三角弧形贴片114；第二部分是由四个结构类似的第三～第六金属片13、14、15、16和一个矩形第七金属片17组成，第三～第七金属片13、14、15、16、17分布在上层金属贴片1的中心，以第三金属片13为例，将左上角的直角换成弧形角，并在右下角边缘处设有一组三个直径相等的第一组金属通孔21，第七金属片17放置于第三、第四金属片13、14和第五、第六金属片15、16之间的空隙中，并在边缘处设置第一通孔25，其中该第一通孔25的直径略小于第一金属通孔21的直径。介质基板被第一～第四组金属通孔21、22、23、24和第一通孔25贯穿，连接上层金属贴片1和下层金属贴片3。下层金属贴片3由贯穿介质基板2的第一～第四组金属通孔21、22、23、24以及比第一通孔25直径略大的第二通孔31组成。
本发明宽带磁电偶极子隐身天线的参数设计过程如下：
(一)介质基板2的厚度为2mm、介电常数为2.2。
(二)上层金属贴片1中的第三～第六金属片13、14、15、16通过将直角换成弧形角，并在边缘处设有一组三个直径相等的金属通孔使天线实现宽带性能，由114个第一金属片11和106个第二金属片12组成的阵列可以实现隐身特性；
(四)下层金属贴片3通过第二通孔31直接向第一通孔25传输能量，可以减少能量损失，提高天线的阻抗带宽。
(五)上层金属贴片1的四周部分由114个第一金属片11和106个第二金属片12以随机排列方式形成的，第一金属片11和第二金属片12中的弧形贴片第一弧形贴片111、第二弧形贴片112、第三三角弧形贴片123、第四三角弧形贴片124可以提升极化转化率，反射相位差能更好地稳定在180°，实现最优的雷达散射截面(RCS)缩减，即天线的隐身功能。
结合图1～图5，本发明宽带磁电偶极子隐身天线，介质基片2的材料为FR4，介电常数εr＝2.2，厚度为2mm,尺寸为128mm×128mm×2mm；贯穿介质基板2的四组金属通孔21、22、23、24直径为3.5mm，其中第一～第四组金属通孔21、22、23、24中三个通孔之间的圆心距离为6.4mm，第七金属片17的长度为16.2mm，宽度为1.8mm，第一通孔25直径为0.87mm，下层金属贴片3的第二通孔31直径为1.4mm。
图6是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的S11曲线图，宽带磁电偶极子隐身天线的工作频带为11.9～15.3GHz，绝对带宽为3.4GHz，相对带宽为25％，本天线剖面低且具有较宽的工作频带。
图7是本发明宽带磁电偶极子隐身天线雷达散射截面(RCS)曲线图，与未添加四周船型金属片相比，本发明具有较低的雷达散射截面(RCS)，可以达到天线隐身的效果。
图8是本发明宽带磁电偶极子隐身天线的增益随频率变化的曲线图，在整个工作频段内，增益满足要求。
图9是本发明宽带磁电偶极子隐身天线在15GHz辐射方向图，宽带磁电偶极子隐身天线方向图稳定。
综上所述，本发明宽带磁电偶极子隐身天线具有宽带特性，辐射方向图稳定，结构简单，易于加工实现，成本低。

Claims (8)

1.一种宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，包括由上至下设置的上层金属贴片（1）、介质基板（2）、下层金属贴片（3），其中：
所述上层金属贴片（1）包括由多个第一金属片（11）和多个第二金属片（12）按照随机排布方式组成的外围金属片阵列，以及位于阵列中心的第三~第七金属片（13、14、15、16、17）；所述第一金属片（11）、第二金属片（12）结构相同且均呈船型结构，所述船型结构包括中间的矩形金属片，矩形金属片的上下对称设置弧形贴片、左右对称设置三角弧形贴片；第一金属片（11）的矩形金属片由竖直方向朝左旋转45度，第二金属片（12）的矩形金属片由竖直方向朝右旋转45度；第三~第六金属片（13、14、15、16）为呈田字分布的正方形金属片，第三金属片（13）、第四金属片（14）、第五金属片（15）、第六金属片（16）顺次设置于田字的左上、左下、右下、右上，中间形成十字形缝隙；第三~第六金属片（13、14、15、16）的内侧分别设置一组金属通孔，依次为第一~第四组金属通孔（21、22、23、24），每组金属通孔的数量为3个；第七金属片（17）为矩形金属片，设置于十字形缝隙的纵向缝隙中，第七金属片（17）的底部边缘设置第一通孔（25）；
所述介质基板（2）被第一～第四组金属通孔（21、22、23、24）和第一通孔（25）贯穿；
所述下层金属贴片（3）由贯穿介质基板（2）的第一～第四组金属通孔（21、22、23、24）以及第二通孔（31）组成，第二通孔（31）的半径大于第一通孔（25），且第二通孔（31）用于输入能量；所述第一金属片（11）的主体为第一矩形金属片（115），该第一矩形金属片（115）的上下两侧分别增加第一弧形贴片（111）和第二弧形贴片（112），左右两侧分别增加第一三角弧形贴片（113）和第二三角弧形贴片（114）；
所述第二金属片（12）的主体为第二矩形金属片（125），该第二矩形金属片（125）的上下两侧分别增加第三弧形贴片（121）和第四弧形贴片（122），左右两侧分别增加第三三角弧形贴片（123）和第四三角弧形贴片（124）；
第三金属片（13）、第四金属片（14）、第五金属片（15）、第六金属片（16）分别将正方形金属片的左上、左下、右下、右上边缘角设置成弧形角，每个金属片大小相同，其中第三、四金属片（13、14）和第五、六金属片（15、16）关于中心轴对称，第三、六金属片（13、16）和第四、五金属片（14、15）关于中心轴对称。
2.根据权利要求1所述的宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，所述第一弧形贴片（111）和第二弧形贴片（112）结构尺寸完全相同且对称设置于第一矩形金属片（115）上下两侧，第一三角弧形贴片（113）和第二三角弧形贴片（114）结构尺寸完全相同且对称设置于第一矩形金属片（115）左右两侧；
第三弧形贴片（121）和第四弧形贴片（122）结构尺寸完全相同且对称设置于第二矩形金属片（125）上下两侧，第三三角弧形贴片（123）和第四三角弧形贴片（124）结构尺寸完全相同且对称设置于第二矩形金属片（125）左右两侧。
3.根据权利要求1所述的宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，第三金属片（13）、第四金属片（14）、第五金属片（15）、第六金属片（16），具体如下：
第三金属片（13）将左上角的直角换成弧形角，并在右下角边缘处设有3个直径相等的第一组金属通孔（21）；
第四金属片（14）将左下角的直角换成弧形角，并在右上角边缘处设有3个直径相等的第二组金属通孔（22）；
第五金属片（15）将右下角的直角换成弧形角，并在左上角边缘处设有3个直径相等的第三组金属通孔（23）；
第六金属片（16）将右上角的直角换成弧形角，并在左下角边缘处设有3个直径相等的第四组金属通孔（24）；
所述第一～第四组金属通孔（21、22、23、24）的直径相同；所述第七金属片（17）设置于第三、四金属片（13、14）和第五、六金属片（15、16）之间的缝隙中，所述第一通孔（25）的直径小于第一～第四组金属通孔（21、22、23、24）的直径。
4.根据权利要求1~3任一项所述的宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，能量通过第二通孔（31）输入，经第一通孔（25）传输到第七金属片（17）后，耦合到四周的第三～第六金属片（13、14、15、16）；当电磁波照射到天线表面时，第一金属片（11）与第二金属片（12）的反射相位差为180°，实现雷达散射截面RCS缩减，即实现隐身功能。
5.根据权利要求4所述的宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，第一金属片（11）的数量为114个，第二金属片（12）的数量为106个，114个第一金属片（11）和106个第二金属片（12）以随机排列的方式组成阵组成外围金属片阵列。
6.根据权利要求4所述的宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，上层金属贴片（1）的第一、第二组金属通孔（21、22）和第三、第四组金属通孔（23、24）对称分布于第七金属片（17）的两侧。
7.根据权利要求4所述的宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，第三金属片（13）、第四金属片（14）、第五金属片（15）、第六金属片（16）和第七金属片（17）位于上层金属贴片（1）的正中间。
8.根据权利要求4所述的宽带磁电偶极子隐身天线，其特征在于，介质基板（2）厚度为2mm，天线的整体高度为2mm。
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