CN115395222B - 一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩 - Google Patents
一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩 Download PDFInfo
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Abstract
一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，在宽带透射型频率选择表面的基础上，在其透射带的低频段和高频段分别设计宽带吸波结构和宽带反射型极化转化结构，使得该混合型隐身天线罩可以在不同波段实现对电磁波的不同操控，即在不影响中频透波效率和透波带宽的情况下，降低天线罩在整个工作频段内的同极化反射系数，达到天线罩的隐身目的。该混合型隐身天线罩由上层的反射型极化转换单元、中层吸收单元和下层的透射型频率选择表面组成，对传统的吸收型隐身天线罩进行改进，增加了高频的反射极化转化功能，使其在保证中频高效透波的同时具有更宽的RCS隐身带宽，具有更宽广的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及天线罩技术领域，特别涉及一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩。
背景技术
雷达技术自从提出以来一直作为最有效的探测手段，在现代化通信和探测系统中占有举足轻重的地位，尤其在军事领域，能够对武器和作战平台构成严重的威胁。在自由空间中雷达的最大作用距离正比于目标RCS的4次方根，即探测目标的RCS越小，所产生的雷达回波信号就越小，雷达对该目标的探测距离越短，当目标的RCS降低12dB时，雷达的最大探测距离降低一半。因此，降低目标的RCS成为雷达隐身技术的主要目的。
目前的雷达隐身技术主要依靠外形隐身和材料隐身。其中外形隐身就是在满足飞行器气动力学等性能的条件下，对飞行器的表面，尖端或边缘等RCS较大的部位进行优化，使其散射方向与探测雷达的方向不一致，以减小后向RCS达到隐身的目的。而材料隐身则是通过雷达吸波材料来吸收入射至目标的电磁能量，使入射的电磁能量转换成热能耗散掉以减小RCS。为了保护雷达天线能在恶劣环境下正常工作，工程师们设计出了集电磁波透明性与结构防护性为一体的功能性复合材料壳体罩在雷达天线上，称为雷达天线罩(Radome)(或雷达罩、天线罩随着隐身技术的发展，雷达天线罩的功能也由早期的“传输”向“隐身与传输兼备”发展。
本申请设计的中频高效率宽带透射、高频反射极化转换和低频宽带吸波的混合型隐身天线罩，通过在宽带透射型频率选择表面的基础上，在其透射带的低频段和高频段分别设计宽带吸波结构和宽带反射型极化转化结构，使得该混合型隐身天线罩可以在不同波段实现对电磁波的不同操控，即在不影响中频透波效率和透波带宽的情况下，降低天线罩在整个工作频段内的反射系数，达到天线罩的隐身目的。本发明对传统的吸收型隐身天线罩进行改进，在传统隐身天线罩的基础上增加了高频的反射极化转化功能，使其在保证中频高效透波的同时具有更宽的RCS隐身带宽，在隐身天线罩领域具有更宽广的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对当前技术的难点，通过耦合型频率选择表面层、超材料吸波层和反射型极化转换层级联的方式，提供一种在中频产生一个宽频带低插损透射窗口，低频产生宽带吸波和高频产生宽频带反射型极化转换的方案。其性能特征在于：(1)一个中频宽通带透射窗口，具有低插损、宽频带的特性；(2)在中频透射窗口的两侧，高频区具有一个宽频带反射型极化转换带，低频区具有一个宽频吸波带；此外，其结构为二维平面结构，结构简单，加工成本低。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，所述天线罩从上至下依次为若干个第一金属谐振单元阵列排布构成的第一金属层，用于附着第一金属层的第一介质层、空气作为介质的第一空气层、由若干个第二金属谐振单元阵列排布构成的第二金属层、用于附着第二金属层的第二介质层、空气作为介质的第二空气层、由第三金属谐振单元阵列排布构成的第三金属层、用于附着第三金属层的第三介质层、由第四金属谐振单元阵列排布构成的第四金属层、用于附着第四金属层的第四介质层、由第五金属谐振单元阵列排布构成的第五金属层；所述第一金属层和第一介质层构成高频反射极化转换层；所述第二金属层和第二介质层构成低频吸波层；所述第三金属层、第三介质层、第四金属层、第四介质层、第五金属层构成中频透射层，且中频透射层为耦合型宽带透射频率选择表面；
其中，每个所述第一金属谐振单元中设置有“I”型金属；每个所述第二金属谐振单元的中间设置方环型螺旋金属线，第二金属谐振单元的四周设置了加载集总电阻的四个金属箭头，每个金属箭头均与方环型螺旋金属线相连；每个所述第三金属谐振单元和第五金属谐振单元中均设置正方形金属贴片；每个所述第四金属谐振单元的中设置正方形金属孔径贴片。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，在高频反射极化转换频带内，第一金属层和第一介质层作为极化转换单元，下层金属层：第三金属层、第三介质层、第四金属层、第四介质层、第五金属层共同作为金属接地面，通过中间介质层：第一空气层第二空气层的调节，实现对高频电磁波的反射极化转换。
进一步地，在低频的吸波频带内，第二金属层、第二介质层作为具有透射窗口的低频宽带吸波单元，下层金属层：第三金属层、第三介质层、第四金属层、第四介质层、第五金属层共同作为金属接地面，通过中间介质层：第二空气层调节，实现对低频电磁波的吸波。
进一步地，在中频透射频带内，上层金属层：第一金属层、第二金属层，介质层：第一介质层、第一空气层、第二介质层、第二空气层与该频段电磁波不发生相互作用，当电磁波入射到下层耦合型频率选择表面：第三金属层、第三介质层、第四金属层、第四介质层、第五金属层时能够以低插入损耗透射出去。
进一步地，在通带的两侧分别设计高频反射宽带极化转换结构和低频宽带吸波结构，使得隐身天线罩在不影响其宽频带透波效率的前提下，降低通带两侧的RCS。
进一步地，所述第一介质层为相对介电常数为2.2的F4B基板；所述第二介质层、第三介质层和第四介质层为相对介电常数为3.5的F4B基板。
进一步地，由各个单元分别构成的第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层的材质相同，均为铜。
进一步地，所述第一金属谐振单元、第二金属谐振单元、第三金属谐振单元、第四金属谐振单元和第五金属谐振单元的单元周期均为正方形；
“I”型金属位于第一金属谐振单元的中心，且“I”型金属均沿着各自的单元对角线分布；
金属箭头均与方环型螺旋金属线连接的整体位于第二金属谐振单元的中心；
第三金属谐振单元和第五金属谐振单元中的正方形金属贴片都均位于各自对应的单元中心处；
正方形金属孔径贴片位于第四金属谐振单元的中心。
本发明的有益效果是：本发明将透射型宽带频率选择表面结构与反射型宽带极化转换结构以及宽带吸波结构联合设计，提供了一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，相对传统的频率选择吸波体而言，由于引进了高频部分的宽带反射极化转换层，因此其在透射带两侧的低RCS工作带宽更宽，隐身效果更好，应用范围更加广泛。
附图说明
图1是本发明整体结构立体示意图。
图2是本发明各个单元结构分层示意图。
图3是本发明第一金属谐振单元的结构示意图。
图4是本发明第二金属谐振单元的结构示意图。
图5是本发明第三金属谐振单元、以及第五金属谐振单元中正方形金属贴片的位置结构示意图。
图6是本发明第四金属谐振单元中正方形金属孔径贴片的位置结构示意图。
图7是本发明透射系数和反射系数曲线的示意图。
图8是本发明吸收率，透射极化转换率和反射极化转换率曲线的示意图。
图中：1、第一金属谐振单元，2、第一介质层，3、第一空气层，4、第二金属谐振单元，5、第二介质层，6、第二空气层，7、第三金属谐振单元，8、第三介质层，9、第四金属谐振单元，10、第四介质层，11、第五金属谐振单元。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本申请的主要技术方案为：
一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，所述天线罩从上至下依次为若干个第一金属谐振单元1阵列排布构成的第一金属层，用于附着第一金属层的第一介质层2、空气作为介质的第一空气层3、由若干个第二金属谐振单元4阵列排布构成的第二金属层、用于附着第二金属层的第二介质层5、空气作为介质的第二空气层6、由第三金属谐振单元7阵列排布构成的第三金属层、用于附着第三金属层的第三介质层8、由第四金属谐振单元9阵列排布构成的第四金属层、用于附着第四金属层的第四介质层10、由第五金属谐振单元11阵列排布构成的第五金属层；所述第一金属层和第一介质层2构成高频反射极化转换层；所述第二金属层和第二介质层5构成低频吸波层；所述第三金属层、第三介质层8、第四金属层、第四介质层10、第五金属层构成中频透射层，且中频透射层为耦合型宽带透射频率选择表面；
其中，每个所述第一金属谐振单元1中设置有“I”型金属；每个所述第二金属谐振单元4的中间设置方环型螺旋金属线，第二金属谐振单元4的四周设置了加载集总电阻的四个金属箭头，每个金属箭头均与方环型螺旋金属线相连；每个所述第三金属谐振单元7和第五金属谐振单元11中均设置正方形金属贴片；每个所述第四金属谐振单元9的中设置正方形金属孔径贴片。
进一步，在高频反射极化转换频带内，第一金属层和第一介质层2作为极化转换单元，下层金属层：第三金属层、第三介质层8、第四金属层、第四介质层10、第五金属层共同作为金属接地面，通过中间介质层：第一空气层3、第二空气层6的调节，实现对高频电磁波的反射极化转换。
进一步，在低频的吸波频带内，第二金属层、第二介质层5作为具有透射窗口的低频宽带吸波单元，下层金属层：第三金属层、第三介质层8、第四金属层、第四介质层10、第五金属层共同作为金属接地面，通过中间介质层：第二空气层6的调节，实现对低频电磁波的吸波。
进一步，在中频透射频带内，上层金属层：第一金属层、第二金属层，介质层：第一介质层2、第一空气层3、第二介质层5、第二空气层6与该频段电磁波不发生相互作用，当电磁波入射到下层耦合型频率选择表面：第三金属层、第三介质层8、第四金属层、第四介质层10、第五金属层时能够以低插入损耗透射出去。
进一步，在通带的两侧分别设计高频反射宽带极化转换结构和低频宽带吸波结构，使得隐身天线罩在不影响其宽频带透波效率的前提下，降低通带两侧的RCS。
进一步，所述第一介质层2为相对介电常数为2.2的F4B基板；所述第二介质层5、第三介质层8和第四介质层10为相对介电常数为3.5的F4B基板。
进一步，由各个单元分别构成的第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层的材质相同，均为铜。
进一步，所述第一金属谐振单元1、第二金属谐振单元4、第三金属谐振单元7、第四金属谐振单元9和第五金属谐振单元11的单元周期均为正方形；
“I”型金属位于第一金属谐振单元1的中心，且“I”型金属均沿着各自的单元对角线分布；
金属箭头均与方环型螺旋金属线连接的整体位于第二金属谐振单元4的中心；
第三金属谐振单元7和第五金属谐振单元11中的正方形金属贴片都均位于各自对应的单元中心处；
正方形金属孔径贴片位于第四金属谐振单元9的中心。
下面以具体实施例进行说明：
实施例：参考图1-6描述的分别是本发明提出的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩的三维示意图、各个单元结构分层示意图、第一金属谐振单元、第二金属谐振单元、第三金属谐振和第四金属谐振单元、以及第五金属谐振单元结构图。
如图1-6所示，本发明所设计的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩从上至下依次为第一金属层和第一介质层2共同组成反射型超材料极化转换层，第二金属层和第二介质层5共同组成吸波型频率选择表面，第三金属层、第四金属层、第五金属层和介质层：第三介质层8、第四介质层10共同组成透射型频率选择表面层，介质层：第一空气层3、第二空气层6作为空气匹配层。整个单元结构的周期为7.5mm，仅为最低工作频率3GHz处波长的0.075倍，是一种小型化单元结构；第一空气层3的厚度为5.45mm，第二空气层6的厚度为7.8mm，整体厚度为16mm，仅为最低工作频率3GHz处波长的0.16倍。
如图3所示，第一金属层由沿着金属单元对角线放置的“I”型金属结构组成。附着第一金属层的第一介质层2为相对介电常数为2.2的F4B板材，厚度为0.25mm。“I”型金属结构的长边和短边分别为4mm和2.8mm，宽度均为0.3mm。
如图4所示，第二金属层由位于该单元结构中间的方环型螺旋金属线和位于单元四周的加载了集总电阻的四个金属箭头组成，其中方环型螺旋金属线的线宽为0.15mm，金属箭头的线宽为0.2mm，加载的集总电阻阻值为180Ω。附着第二金属层的第二介质层5为相对介电常数为3.5，厚度为0.5mm的F4B板材。
如图5所示，第三金属层和第五金属层结构相同，均由位于单元结构中间的正方形金属贴片组成，正方形金属贴片的边长为5.5mm。第三金属层和第五金属层所附着的第三介质层8和第四介质层10相同，均为相对介电常数为3.5，厚度为1mm的F4B板材。
如图6所示，第四金属层由位于该单元结构中间的正方形金属孔径组成，正方形金属孔径的边长为3.5mm。
如图7所示，所设计的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩的S参数曲线，可以看出该天线罩在中频9.4-11.5GHz为平坦的同极化通带，在该范围内同极化透射系数均大于-1dB；并且同极化反射系数小于-10dB的频率范围为3-18.8GHz，相对带宽达到145％。
如图8所示，由吸收率计算公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)＝1-|S11|2-|S21|2，反射极化转换率的计算公式和透射极化转换率的计算公式分别计算出混合型天线罩的吸收率，反射极化转换率和透射极化转换率，其中在低频2.6-8.5GHz范围内该混合型天线罩的吸收率均在80％以上，在高频13-19GHz的范围内其反射极化转换率均大于80％。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，
所述天线罩从上至下依次为若干个第一金属谐振单元（1）阵列排布构成的第一金属层，用于附着第一金属层的第一介质层（2）、空气作为介质的第一空气层（3）、由若干个第二金属谐振单元（4）阵列排布构成的第二金属层、用于附着第二金属层的第二介质层（5）、空气作为介质的第二空气层（6）、由第三金属谐振单元（7）阵列排布构成的第三金属层、用于附着第三金属层的第三介质层（8）、由第四金属谐振单元（9）阵列排布构成的第四金属层、用于附着第四金属层的第四介质层（10）、由第五金属谐振单元（11）阵列排布构成的第五金属层；所述第一金属层和第一介质层（2）构成高频反射极化转换层；所述第二金属层和第二介质层（5）构成低频吸波层；所述第三金属层、第三介质层（8）、第四金属层、第四介质层（10）、第五金属层构成中频透射层，且中频透射层为耦合型宽带透射频率选择表面；
其中，每个所述第一金属谐振单元（1）中设置有“I”型金属；每个所述第二金属谐振单元（4）的中间设置方环型螺旋金属线，第二金属谐振单元（4）的四周设置了加载集总电阻的四个金属箭头，每个金属箭头均与方环型螺旋金属线相连；每个所述第三金属谐振单元（7）和第五金属谐振单元（11）中均设置正方形金属贴片；每个所述第四金属谐振单元（9）的中设置正方形金属孔径贴片。
2.根据权利要求1所述的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，
在高频反射极化转换频带内，第一金属层和第一介质层（2）作为极化转换单元，下层金属层：第三金属层、第三介质层（8）、第四金属层、第四介质层（10）、第五金属层共同作为金属接地面，通过中间介质层：第一空气层（3）、第二空气层（6）的调节，实现对高频电磁波的反射极化转换。
3.根据权利要求1所述的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，
在低频的吸波频带内，第二金属层、第二介质层（5）作为具有透射窗口的低频宽带吸波单元，下层金属层：第三金属层、第三介质层（8）、第四金属层、第四介质层（10）、第五金属层共同作为金属接地面，通过中间介质层：第二空气层（6）的调节，实现对低频电磁波的吸波。
4.根据权利要求1所述的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，
在中频透射频带内，上层金属层：第一金属层、第二金属层，介质层：第一介质层（2）、第一空气层（3）、第二介质层（5）、第二空气层（6）与该频段电磁波不发生相互作用，当电磁波入射到下层耦合型频率选择表面：第三金属层、第三介质层（8）、第四金属层、第四介质层（10）、第五金属层时能够以低插入损耗透射出去。
5.根据权利要求1所述的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，在通带的两侧分别设计高频反射宽带极化转换结构和低频宽带吸波结构，使得隐身天线罩在不影响其宽频带透波效率的前提下，降低通带两侧的RCS。
6.根据权利要求1所述的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，所述第一介质层（2）为相对介电常数为2.2的F4B基板；所述第二介质层（5）、第三介质层（8）和第四介质层（10）为相对介电常数为3.5的F4B基板。
7.根据权利要求1所述的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，由各个单元分别构成的第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层的材质相同，均为铜。
8.根据权利要求7所述的一种中频透射、两侧混合极化转换和吸波的隐身天线罩，其特征在于，
所述第一金属谐振单元（1）、第二金属谐振单元（4）、第三金属谐振单元（7）、第四金属谐振单元（9）和第五金属谐振单元（11）的单元周期均为正方形；
“I”型金属位于第一金属谐振单元（1）的中心，且“I”型金属均沿着各自的单元对角线分布；
金属箭头均与方环型螺旋金属线连接的整体位于第二金属谐振单元（4）的中心；
第三金属谐振单元（7）和第五金属谐振单元（11）中的正方形金属贴片都均位于各自对应的单元中心处；
正方形金属孔径贴片位于第四金属谐振单元（9）的中心。
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