CN116799516B - 一种基于低rcs超表面的阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低RCS超表面的阵列天线，涉及阵列天线技术领域，包括介质基板，以及在介质基板的上表面印刷的传输线、若干第一周期金属单元和若干第二周期金属单元，还包括在介质基板下表面印刷的金属地板和若干SMA馈电结构，第一周期金属单元和第二周期金属单元在介质基板的上表面形成一个超表面模块，SMA馈电结构的上端延伸至介质基板的上表面并与传输线连接，第一周期金属单元的中部设有金属柱，金属柱的下端位于金属地板上，金属柱的上端延伸至介质基板上表面。该基于低RCS超表面的阵列天线能够实现良好的辐射性能和宽带低RCS。
Description
技术领域
本发明涉及阵列天线技术领域，具体是涉及一种基于低RCS超表面的阵列天线。
背景技术
近些年来，随着电子战和信息战的快速发展，高科技电子战争环境逐渐复杂，雷达探测技术逐渐增强，隐身技术越来越重要因此受到了极大的重视。雷达截面(RCS)被用于判断目标隐身性能的重要指标。RCS越低目标就越有可能在敌人的雷达上保持隐形。阵列天线具有增益高、波束灵活等优点，广泛应用于各种通信系统中。然而，由于辐射或接收电磁(EM)波的特殊功能，它们也是隐身的主要雷达截面(RCS)贡献者，如隐形飞机和导弹。需要设计低RCS阵列天线，以提高整个平台的隐身性能。为此，研究人员提出了一些有趣的方法来降低现有阵列天线的RCS。尽管在大多数工作中天线工作频带内或外的RCS都降低了，但另一个问题是随之而来的辐射性能恶化，因为总是在低RCS和良好的辐射性能之间进行权衡。
目前超表面技术取得了快速而显着的进步。作为一种人工构建的电磁表面，超表面提供了一种前所未有的方式来控制电磁波的波前、极化甚至传播模式。利用这些特性，可以根据能量吸收或再散射有效降低天线的RCS。尽管许多研究已经成功地证明了阵列天线的RCS减少，但这些设计主要基于超表面在现有阵列天线中的应用，即从天线到低RCS天线或辐射性能先于散射性能。从辐射到综合考虑辐射和低散射的路线是通常通过将超表面加载到现有天线来进行，这是直接且有效的。除了明显的优点外，还存在一些挑战。首先，在某种程度上，散射场控制比辐射复杂得多，因此很难同时兼顾低RCS和良好的辐射性能，这通常导致依赖经验的反复试验和时间来优化。其次，由于超表面应用策略，有时会人为地扩大低RCS阵列天线的总尺寸。此外，在不牺牲辐射性能的情况下降低带内RCS仍然具有挑战性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于低RCS超表面的阵列天线，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现良好的辐射性能和宽带低RCS。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种基于低RCS超表面的阵列天线，包括介质基板，以及在所述介质基板的上表面印刷的传输线、若干第一周期金属单元和若干第二周期金属单元，还包括在所述介质基板下表面印刷的金属地板和若干SMA馈电结构，所述第一周期金属单元和所述第二周期金属单元在所述介质基板的上表面形成一个超表面模块，所述SMA馈电结构的上端延伸至所述介质基板的上表面并与所述传输线连接，所述第一周期金属单元的中部设有金属柱，所述金属柱的下端位于所述金属地板上，所述金属柱的上端延伸至所述介质基板上表面。
优选的，所述超表面模块包括十六个所述第一周期金属单元和十六个所述第二周期金属单元，所述第一周期金属单元呈两个C形排列并形成两个并排设置的C形结构，所述第二周期金属单元呈两个T形排列并形成两个并排设置的T形结构，所述T形结构的一端形成伸出部，所述C形结构的一侧形成凹槽，所述伸出部延伸至所述凹槽内，并使所述超表面模块构成2*1阵列天线，所述传输线有两条，且分别位于各所述伸出部的中部。
优选的，所述超表面模块有三十二个所述第一周期金属单元和三十二个所述第二周期金属单元，所述第一周期金属单元呈四个C形排列并形成四个C形结构，四个所述C形结构朝向一致，且分别位于一矩形的各角部，所述第二周期金属单元呈四个T形排列并形成四个T形结构，四个所述T形结构朝向一致，且分别位于一矩形的各角部，所述T形结构的一端形成伸出部，所述C形结构的一侧形成凹槽，所述伸出部延伸至所述凹槽内，并使所述超表面模块构成构成2*2阵列天线，所述传输线有四条，且分别位于各所述伸出部的中部。
优选的，所述金属地板与所述介质基板均为矩形，且所述金属地板的各外缘与所述介质基板的各外缘平齐。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的基于低RCS超表面的阵列天线，第一周期金属单元和第二周期金属单元在介质基板的上表面形成一个超表面模块，进而可以直接从超表面实现低RCS阵列天线，本发明的一个低RCS超表面，利用超表面的第一周期金属单元和第二周期金属单元，以及适当的馈电技术来激发部分超表面单元以产生有效的辐射，这些部分激发的单元作为阵列天线的辐射结构和作为低RCS特性的散射结构的一部分发挥双重作用，SMA馈电结构的上端延伸至介质基板的上表面并与传输线连接，第一周期金属单元的中部设有金属柱，金属柱的下端位于金属地板上，金属柱的上端延伸至介质基板上表面，进而将第一周期金属单元与地面连接起来，能够获得更低的RCS和更宽的低RCS频带。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中第一周期金属单元的结构示意图；
图2为本发明中第二周期金属单元的结构示意图；
图3为工作在14.8GHz的原始2*1微带阵列天线结构示意图；
图4为工作在14.8GHz的原始2*2微带阵列天线结构示意图；
图5为基于低RCS超表面的2*1阵列天线的结构示意图(不设金属柱)；
图6为基于低RCS超表面的2*2阵列天线的结构示意图(不设金属柱)；
图7为改进的基于低RCS超表面的2*2阵列天线的结构示意图(设金属柱)；
图8为实施例一中基于低RCS超表面前后2*1阵列天线的仿真S参数曲线图；
图9为实施例一中基于低RCS超表面前后2*1阵列天线的仿真增益曲线图；
图10为实施例一中基于低RCS超表面前后2*2阵列天线的仿真S参数曲线图；
图11为实施例一中基于低RCS超表面前后2*2阵列天线的仿真增益曲线图；
图12为实施例一中基于低RCS超表面前后改进的2*2阵列天线的仿真S参数曲线图；
图13为实施例一中基于低RCS超表面前后改进的2*2阵列天线的仿真增益曲线图；
图14为实施例一中基于低RCS超表面前后2*1阵列天线在x极化入射波垂直入射条件下的单站RCS图；
图15为实施例一中基于低RCS超表面前后2*1阵列天线在y极化入射波垂直入射条件下的单站RCS图；
图16为实施例一中基于低RCS超表面前后2*2阵列天线在x极化入射波垂直入射条件下的单站RCS图；
图17为实施例一中基于低RCS超表面前后2*2阵列天线在y极化入射波垂直入射条件下的单站RCS图；
图18为实施例一中基于低RCS超表面前后改进的2*2阵列天线在x极化入射波垂直入射条件下的单站RCS图；
图19为实施例一中基于低RCS超表面前后改进的2*2阵列天线在y极化入射波垂直入射条件下的单站RCS图；
图中：1-介质基板，2-传输线，3-第一周期金属单元，4-第二周期金属单元，5-金属地板，6-SMA馈电结构，7-金属柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于低RCS超表面的阵列天线，以解决现有技术中难以同时兼顾低RCS和良好的辐射性能的技术问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图7所示，本实施例提供一种基于低RCS超表面的阵列天线，包括介质基板1，以及在介质基板1的上表面印刷的传输线2、若干第一周期金属单元3和若干第二周期金属单元4，还包括在介质基板1下表面印刷的金属地板5和若干SMA馈电结构6，第一周期金属单元3和第二周期金属单元4在介质基板1的上表面形成一个超表面模块，SMA馈电结构6的上端延伸至介质基板1的上表面并与传输线2连接，基于低RCS超表面的阵列天线为了获得更低的RCS和更宽的低RCS频带，同时，保持天线的辐射性能，在第一周期金属单元3的中部设有金属柱7，金属柱7的下端位于金属地板5上，金属柱7的上端延伸至介质基板1上表面，基于2*1阵列天线和2*2阵列天线经过精心设计，同时实现了良好的辐射性能和更宽的低RCS频带。金属地板5与所述介质基板1均为矩形，且金属地板5的各外缘与介质基板1的各外缘平齐。
如图1-图2所示，第一周期金属单元3为方形金属片，且上表面蚀刻有U型槽，U型槽的各边缘分别靠近第一周期金属单元3的各外缘设置，第二周期金属单元4为方形金属片，具体的参数尺寸为：l1＝2mm，l2＝3.6mm，a1＝1.8mm，a2＝1.2mm，w1＝0.2mm。
如图3-图4所示，工作在14.8GHz的原始2*1和2*2微带阵列天线，该天线采用同轴馈电方式，包括原始介质基板1、原始辐射贴片、原始金属地板5和原始SMA馈电结构6，原始SMA馈电结构6穿过原始介质基板1和原始金属地板5。具体的参数尺寸为：l3＝5.6mm，l4＝32mm，w2＝16mm，天线采用介电常数为2.65，损耗角正切为0.003的介质板，整个天线介质板厚度为1.6mm。
如图5所示，超表面模块包括十六个第一周期金属单元3和十六个第二周期金属单元4，第一周期金属单元3呈两个C形排列并形成两个并排设置的C形结构，第二周期金属单元4呈两个T形排列并形成两个并排设置的T形结构，T形结构的一端形成伸出部，C形结构的一侧形成凹槽，伸出部延伸至凹槽内，即，第一周期金属单元3和第二周期金属单元4组合成交叉指型排列，并使超表面模块构成2*1阵列天线。
超表面模块在x和y极化入射波垂直入射下，可以获得180°±37°范围内的有效相位差，从而达到低RCS。传输线2有两条，且分别位于各伸出部的中部，SMA馈电结构6穿过介质基板1和金属地板5。利用两个周期金属单元的交叉指型排列和适当的馈电技术来激发部分超表面模块以产生有效的辐射。这些部分激发的单元作为阵列天线的辐射结构和作为低RCS特性的散射结构的一部分发挥双重作用。具体的参数尺寸为：l5＝6.5mm，w3＝0.2mm，天线采用介电常数为2.65，损耗角正切为0.003的介质板，整个天线介质板厚度为1.6mm。
如图6所示，超表面模块有三十二个第一周期金属单元3和三十二个第二周期金属单元4，第一周期金属单元3呈四个C形排列并形成四个C形结构，四个C形结构朝向一致，且分别位于一矩形的各角部，第二周期金属单元4呈四个T形排列并形成四个T形结构，四个T形结构朝向一致，且分别位于一矩形的各角部，T形结构的一端形成伸出部，C形结构的一侧形成凹槽，伸出部延伸至凹槽内，第一周期金属单元3和第二周期金属单元4组合成交叉指型排列，并使超表面模块构成构成2*2阵列天线，即，2*2阵列天线是由两个2*1阵列天线并列组成，传输线2有四条，且分别位于各伸出部的中部。超表面在x和y极化入射波垂直入射下，可以获得180°±37°范围内的有效相位差，从而达到低RCS。SMA馈电结构6穿过介质基板1和金属地板5。利用两个周期金属单元的交叉指型排列和适当的馈电技术来激发部分超表面模块以产生有效的辐射。这些部分激发的单元作为阵列天线的辐射结构和作为低RCS特性的散射结构的一部分发挥双重作用。
如图7所示，改进的基于低RCS超表面的2*2微带阵列天线，为了实现更好的天线阵列RCS减缩，在第一周期金属单元3中心位置上添加了八个金属柱7，金属柱7穿过介质基板1和金属地板5。具体的参数尺寸为：r1＝0.2mm，天线采用介电常数为2.65，损耗角正切为0.003的介质板，整个天线介质板厚度为1.6mm。
以下结合图1至图19对本发明作进一步的说明。
实施例一
基于低RCS超表面的微带阵列天线，通过引入包括传输线2和探针在内的馈电结构，然后利用两个周期金属单元的交叉指型排列和适当的馈电技术来激发部分超表面单元以产生有效的辐射。超表面不仅没有影响天线的辐射性能，还实现了天线带内和带外的RCS减缩。如下表1，给出了所设计的微带阵列天线的性能参数予以理解。
表1
如图8所示，基于低RCS超表面前后2*1阵列天线的仿真S参数曲线图，由图可以看出，原始天线的谐振中心频率为14.8GHz，工作频带范围为14.12-15.55GHz。基于低RCS超表面天线的谐振中心频率没有变，工作频带范围为13.92-18.78GHz，阻抗带宽变宽了。
如图9所示，基于低RCS超表面前后2*1阵列天线的仿真增益曲线图，由图可以看出，原始天线的增益为10.73dBi，基于低RCS超表面天线的增益为11.21dBi。上述结果表明，基于低RCS超表面的阵列天线辐射增益增加了0.48dB。
如图10所示，基于低RCS超表面前后2*2阵列天线的仿真S参数曲线图，由图可以看出，原始天线的谐振中心频率为14.8GHz，工作频带范围为14.11-15.56GHz。基于低RCS超表面天线的谐振中心频率为15.4GHz，往高频偏移了60MHz，工作频带范围为13.84-18.71GHz，阻抗带宽变宽了。
如图11所示，基于低RCS超表面前后2*2阵列天线的仿真增益曲线图，由图可以看出，原始天线的增益为13.83dBi，基于低RCS超表面天线的增益为13.83dBi。上述结果表明，基于低RCS超表面的阵列天线辐射增益并没有改变。
如图12所示，基于低RCS超表面改进的2*2阵列天线的仿真S参数曲线图，由图可以看出，原始天线的谐振中心频率为14.8GHz，工作频带范围为14.11-15.56GHz。基于低RCS超表面天线的产生两个谐振点为15.4GHz和17.6GHz，工作频带范围为13.99-19.08GHz，阻抗带宽变宽了。
如图13所示，基于低RCS超表面前后2*2阵列天线的仿真增益曲线图，由图可以看出，原始天线的增益为13.83dBi，基于低RCS超表面天线的增益为14.25dBi。上述结果表明，基于低RCS超表面改进的阵列天线辐射增益增加了0.42dB。
如图14所示，仿真比较了对于原始天线和基于低RCS超表面2*1阵列天线，这两个天线在x极化入射波垂直入射下的单站RCS。由图可以看出，基于低RCS超表面2*1阵列天线，在12-12.66GHz和14.72-29.8GHz的频率范围内，实现了明显的RCS减缩。
如图15所示，仿真比较了对于原始天线和基于低RCS超表面2*1阵列天线，这两个天线在y极化入射波垂直入射下的单站RCS。由图可以看出，基于低RCS超表面2*1阵列天线，在12-27.22GHz的频率范围内，实现了明显的RCS减缩。
如图16所示，仿真比较了对于原始天线和基于低RCS超表面2*2阵列天线，这两个天线在x极化入射波垂直入射下的单站RCS。由图可以看出，基于低RCS超表面2*2阵列天线，在12-12.6GHz和15.6-30GHz的频率范围内，实现了明显的RCS减缩。
如图17所示，仿真比较了对于原始天线和基于低RCS超表面2*2阵列天线，这两个天线在y极化入射波垂直入射下的单站RCS。由图可以看出，基于低RCS超表面2*2阵列天线，在12-27.33GHz的频率范围内，实现了明显的RCS减缩。
如图18所示，仿真比较了对于原始天线和基于低RCS超表面改进的2*2阵列天线，这两个天线在x极化入射波垂直入射下的单站RCS。由图可以看出，基于低RCS超表面2*2阵列天线，在12。15-13.1GHz和15.4-30GHz的频率范围内，实现了明显的RCS减缩。
如图19所示，仿真比较了对于原始天线和基于低RCS超表面改进的2*2阵列天线，这两个天线在y极化入射波垂直入射下的单站RCS。由图可以看出，基于低RCS超表面2*2阵列天线，在12-27.49GHz的频率范围内，实现了明显的RCS减缩。
综上所述，本发明基于低RCS超表面，提出了一种低RCS超表面阵列天线，能够实现带内和带外的宽带低RCS以及良好的辐射性能，能够很好地用于阵列天线的隐身应用。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种基于低RCS超表面的阵列天线，其特征在于：包括介质基板，以及在所述介质基板的上表面印刷的传输线、若干第一周期金属单元和若干第二周期金属单元，还包括在所述介质基板下表面印刷的金属地板和若干SMA馈电结构，所述第一周期金属单元和所述第二周期金属单元在所述介质基板的上表面形成一个超表面模块，所述SMA馈电结构的上端延伸至所述介质基板的上表面并与所述传输线连接，所述第一周期金属单元的中部设有金属柱，所述金属柱的下端位于所述金属地板上，所述金属柱的上端延伸至所述介质基板上表面；
所述超表面模块包括十六个所述第一周期金属单元和十六个所述第二周期金属单元，所述第一周期金属单元呈两个C形排列并形成两个并排设置的C形结构，所述第二周期金属单元呈两个T形排列并形成两个并排设置的T形结构，所述T形结构的一端形成伸出部，所述C形结构的一侧形成凹槽，所述伸出部延伸至所述凹槽内，并使所述超表面模块构成2*1阵列天线，所述传输线有两条，且分别位于各所述伸出部的中部。
2.根据权利要求1所述的基于低RCS超表面的阵列天线，其特征在于：所述超表面模块为两组，两组所述超表面模块共包括三十二个所述第一周期金属单元和三十二个所述第二周期金属单元，所述第一周期金属单元呈四个C形排列并形成四个C形结构，四个所述C形结构朝向一致，且分别位于一矩形的各角部，所述第二周期金属单元呈四个T形排列并形成四个T形结构，四个所述T形结构朝向一致，且分别位于一矩形的各角部，所述T形结构的一端形成伸出部，所述C形结构的一侧形成凹槽，所述伸出部延伸至所述凹槽内，并使两组所述超表面模块构成构成2*2阵列天线，所述传输线有四条，且分别位于各所述伸出部的中部。
3.根据权利要求1所述的基于低RCS超表面的阵列天线，其特征在于：所述金属地板与所述介质基板均为矩形，且所述金属地板的各外缘与所述介质基板的各外缘平齐。
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