CN115173056B

CN115173056B - 一种基于天线互易原理的低rcs宽带天线罩

Info

Publication number: CN115173056B
Application number: CN202210555073.1A
Authority: CN
Inventors: 郝新杰; 林先其; 苏一洪; 刘皓中; 杨雨蕾; 岳震; 李顺; 何治丽; 韩金凤; 刘航; 邢宇; 何鑫; 刘江; 李家稷
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2023-08-08
Anticipated expiration: 2042-05-20
Also published as: CN115173056A

Abstract

本发明公开一种基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，由上到下依次是有耗层、空气填充层和宽带透射层；有耗层结构位于结构的顶部，包括介质基板、位于介质基板上层的L型偶极子单元和电阻；空气填充层位于结构的中部，由空气介质构成；宽带透射层位于结构的底部，由三部分组成，包括两层介质基板、相互连接的金属领结型偶极子单元和中间开圆形孔的金属板，每层结构中间由空气介质隔开。本发明将天线互易原理应用于天线罩的设计，可解决天线罩的透射带宽比较窄、小型化等问题，通过设计有耗层将天线罩带外的RCS进行了缩减；本发明采用的是低成本常见基片板材，结构简单，生产成本低，可满足当前日益提升的通信需求，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩

技术领域

本发明涉及天线罩技术领域，尤其涉及一种基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩。

背景技术

天线罩，顾名思义，就是位于天线的前端保护天线免受外部环境的干扰，使其工作状态相对稳定，确保天线可以发挥出最优的性能。最开始天线罩的设计只是为了防止外界环境如雨水、烈日、强风等等的侵害，但随着通信技术的不断发展，频谱资源越发紧张，降低频段之间的干扰尤为重要。这也对天线罩的研究提出了新的要求，即天线罩要具备选择滤波性质。天津光电通信技术有限公司公布了一种频率选择表面天线罩(天津光电通信技术有限公司，一种频率选择表面天线罩，申请号CN201822105652.8，申请日2018.12.14)，该频率选择表面天线罩采用镶嵌电阻的方环结构和带通型FSS结构，实现了在5GHz的高透波特性。对于常用的雷达探测而言，天线形式一般为宽带天线，所需天线罩应当具有宽带透波特性，但上述天线罩结构，只能满足点频的天线需求，在雷达探测或者通信等需要宽带天线罩的场景仍然不适用。

RCS，指的是物体的雷达散射截面，它是表征散射体在电磁波照射的情况下产生的回波强度的物理量。雷达散射截面积越小，被探测到的概率也就越低，隐身效果就会越好。在雷达探测过程中，降低雷达的RCS，使其能不被其他探测雷达所发现，不仅对天线的研发提出了挑战，同时也催生出了具有低RCS性质的天线罩的需求。西安电子科技大学公布了一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面(西安电子科技大学，一种适用于天线罩的超宽带频率选择表面，申请号CN201710686760.6，申请日2017.08.11)，该结构采用圆环贴片和金属折线的曲折线贴片，实现了0.51GHz-3.81GHz的传输通带范围，但其并不具备降低RCS的功能。南京航空航天大学公布了一种中频宽带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩(南京航空航天大学，一种中频宽频带透波、高频和低频极化转换的隐身天线罩，申请号CN201910540244.1，申请日2019.06.20)，该结构是利用宽频带透波的频率选择表面和极化旋转单元实现了8GHz-11.8GHz的3dB通带范围，同极化反射系数低于-10dB的频带为5.6GHz-7.46GHz和12.4GHz-15.1GHz。但该结构通过极化旋转来降低同极化RCS，对于另一极化的RCS并没有降低，除此之外其透射带宽仍然较窄，只有38.38％的相对带宽。

近年来，利用频率选择表面来制作天线罩的形式已经有很多，大多数均采用电阻加载的消耗层和宽带透波的无耗层来实现，利用天线互易原理来设计天线罩的方法却鲜有人研究。天线，既可以发射电磁波也可以接收电磁波，如果在天线的后端接匹配负载，其就能变成吸波器，如电子科技大学林先其2016年发表的“Development of a Resistor-Loaded Ultrawideband Absorber With Antenna Reciprocity,”(IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.64,no.11,pp.4910-4913),就是利用天线互易原理实现了宽带的吸波器件的研究，实现了3.78GHz-11.78GHz的宽频带吸波。如果在天线的后端接一个天线，由于天线的互易性，若所选的天线形式为宽带天线，其就能变成一个宽带透波器，进而设计成低RCS宽带天线罩。

发明内容

本发明针对以上存在的技术问题，利用天线互易原理设计了一款宽透波范围、低RCS的天线罩。该天线罩可以实现11.19GHz-21.35GHz的3dB透波带宽，通过电阻的加载，在透波带外，低频5GHz-10.91GHz实现了56％以上的吸波率，最高吸波率可以达到80％；高频在22GHz处实现了99.5％以上的吸波率。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，包括介质基板、金属领结型偶极子单元、L型偶极子单元、金属板和电阻。

本发明的基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩主要由三部分组成，由上到下依次是有耗层、空气填充层和宽带透射层；有耗层结构位于结构的顶部，包括介质基板、位于介质基板上层的L型金属偶极子单元和电阻；空气填充层位于结构的中部，由空气介质构成；宽带透射层位于结构的底部，由三部分组成，包括两层介质基板、相互连接的金属领结型偶极子单元和中间开圆形孔的金属板，每层结构中间由空气介质隔开。

进一步的，所述的L型偶极子由一对L型金属贴片构成，位于整体结构的最上层的介质基板的表面，中间焊接电阻，利用天线互易原理，用以实现和自由空间的匹配，达到降低RCS的效果。

进一步的，所述的宽带透射层，通过将两个完全相同的宽带金属领结型偶极子单元“背靠背”连接起来，根据天线互易原理，上层天线接收信号可以直接传递给下层的天线，进而实现宽频带的传输。

进一步的，所述的金属领结型偶极子单元由四个完全一致的领结型金属贴片组成，一对金属贴片位于金属板上方介质基板的上表面，一对金属贴片位于金属板下方介质基板的下表面，两对金属贴片通过矩形金属连接起来，用以实现宽频带透射。

进一步的，所述的金属板，位于两个金属领结型偶极子单元的中央，在其中心位置开圆形孔，使连接两个金属领结型偶极子单元通过，用以防止能量通过空间耦合，确保能量只能通过金属连接线传输。

进一步的，所述的金属板尺寸为13mm×13mm。

进一步的，所述L型金属偶极子单元、金属领结型偶极子单元均以各自的基板中心呈中心对称。

进一步的，所述空气填充层位于有耗层和宽带透射层的中间，厚度为4mm。

进一步的，所述电阻的阻值为100欧姆。

进一步的，所述金属领结型偶极子单元边缘进行倒角处理，用以拓宽带宽。

进一步的，所述介质基板板材为F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，厚度为1mm。

进一步的，所述金属板与上下两个金属领结型偶极子单元的距离为3mm。

本发明的技术原理：本发明提供的一种基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，根据天线互易原理，首先设计了宽频带的透射单元，即采用两个相同的宽带天线背靠背连接的形式，同时，在透射带宽以外设计有耗层，并将二者级联起来，通过和自由空间的匹配，来实现带外RCS的缩减。本发明具有低成本、低RCS和宽透射频带等突出特性，与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明首次将天线互易原理应用于天线罩的设计，用以解决天线罩的透射带宽比较窄、小型化等问题，并通过设计有耗层将天线罩带外的RCS进行了缩减；

2、与传统的天线罩相比，本发明实现了62.45％的透射频带(11.19GHz-21.35GHz)，还实现了带外低频(5GHz-10.91GHz)最低56％的吸波率，最高80％的吸波率；高频最高99.5％以上的吸波率，兼具了宽带透射和带外RCS缩减，是一般具备RCS缩减天线罩透射带宽的两倍；

3、本发明采用的是低成本常见基片板材，结构简单，生产成本低，单元尺寸只有0.21λ，易和宽带天线进行集成设计，降低天线的雷达散射面积，满足当前日益提升的通信需求，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本实施例天线罩单元的结构示意图；

图2为本实施例天线罩S参数曲线图；

图3为本实例天线罩吸波率曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、优点和特征能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，一种基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，包括介质基板1，主要由三个部分，有耗层和宽带透射层的上下两部分，L型金属偶极子单元4为与顶部介质基板的上表面，中间焊接电阻3。金属板2位于宽带透射层上下两个基板的中央，中心相连的金属领结型偶极子单元5分别位于宽带透射层上下两个基板的上表面和下表面。

L型金属偶极子单元，金属领结型偶极子单元和金属地板所采用的材料均为铜，厚度为0.035mm。

介质基板1的材质是F4B，其相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，单元尺寸为13mm×13mm×1mm。

金属板2的中心开圆形孔，圆形孔的半径是1mm。

电阻3采用贴片电阻形式，尺寸采用0402封装，阻值为100欧姆。

L型偶极子单元4总长度为14.2mm，宽度为0.8mm，中间留有0.6mm×0.8mm的缝隙。

金属领结型偶极子单元5，馈线部分的长宽为1mm×0.6mm，单个领结型金属贴片的长宽为5mm×4.5mm，中间起连接作用的金属长宽为0.6mm×8mm，中间留有0.6mm×0.6mm的缝隙。

对优化后的模型进行仿真，得到S参数如图2所示，从图2中可以看出3dB透波带宽为11.19GHz-21.35GHz；将S参数的结果转换为吸波率(Absarptian＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²)，如图3所示，可以看出在5GHz-10.91GHz其吸波率均大于56％，低频处在5.2GHz取得峰值80.1％，高频处在22GHz取得峰值99.53％。

Claims

1.一种基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，其特征在于，包括三部分组成，由上到下依次是有耗层、空气填充层和宽带透射层；有耗层结构位于结构的顶部，包括介质基板、位于介质基板上层的L型偶极子单元和电阻；空气填充层位于结构的中部，由空气介质构成；宽带透射层位于结构的底部，由三部分组成，包括两层介质基板、相互连接的金属领结型偶极子单元和中间开圆形孔的金属板，每层结构中间由空气介质隔开；

所述的L型偶极子为L型金属偶极子单元，由一对L型金属贴片构成，位于整体结构的最上层的介质基板的表面，中间焊接电阻；

所述的金属领结型偶极子单元由四个完全一致的领结型金属贴片组成，一对金属贴片位于金属板上方介质基板的上表面，一对金属贴片位于金属板下方介质基板的下表面，两对金属贴片通过矩形金属连接起来；

所述的金属板位于宽带透射层上下两个基板的中央，在其中心位置开圆形孔，使连接两个金属领结型偶极子单元的矩形金属通过。

2.根据权利要求1所述的基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，其特征在于，所述的金属板尺寸为13mm×13mm。

3.根据权利要求1所述的基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，其特征在于，所述L型金属偶极子单元、金属领结型偶极子单元均以各自的基板中心呈中心对称。

4.根据权利要求1所述的基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，其特征在于，所述空气填充层位于有耗层和宽带透射层的中间，厚度为4mm。

5.根据权利要求1所述的基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，其特征在于，所述电阻的阻值为100欧姆。

6.根据权利要求1所述的基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，其特征在于，所述介质基板板材为F4B，介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，厚度为1mm。

7.根据权利要求1所述的基于天线互易原理的低RCS宽带天线罩，其特征在于，所述金属板与上下两个金属领结型偶极子单元的距离为3mm。