CN117996432A - 集总元件加载与天线修形技术结合的机载低rcs全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，包括辐射振子1、天线罩2、法兰3，其中辐射振子1采用“树形”的结构，天线罩2采用左右对称的平板介质复合结构；“树形”辐射振子1嵌入到天线罩2内，整个天线与天线罩固定在圆盘法兰3上。本发明“树形”的辐射振子，解决了常规刀型或盘锥机载天线物理面积大带来的天线RCS高的问题；辐射振子与天线罩形成一个整体结构，克服了现有技术先设计天线再设计天线罩导致的性能失配弊端，使本发明有效避免天线RCS恶化；天线罩上的矩形通孔和矩形金属贴片，使本发明天线RCS有效降低，使得本发明可用于飞机隐身性能的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域中的一种集总元件加载与天线修形技术结合的机载低雷达散射截面RCS(Radar Cross Section)全向天线。所谓RCS，是表征散射体在电磁波照射下产生的回波强度的物理量，是衡量散射体向某一方向散射电磁波能力的度量，天线RCS越小，飞机综合隐身性能越好，因此本发明可用于飞机隐身性能的应用需求。
背景技术
当前天线RCS减缩技术主要分为三大类，分别为电子元件加载技术、天线修形技术、基于超材料的天线技术。电子元件加载技术可降低天线工作频带外RCS，而对带内RCS则基本没有减缩效果，此外该方法还易引起天线辐射性能的恶化。天线修形技术在维持天线辐射性能的前提下，通过减少天线的金属面积，一定程度上实现天线RCS减缩，但对天线带外RCS缩减基本没有贡献。超材料技术通过加载超材料结构，可以有效减缩天线RCS，然而这种技术的局限性是通常需要天线加载额外的周期单元结构，这不仅增加了天线的整体结构尺寸，并且对于机载天线平台、重量以及复杂结构所带来的可靠性问题都限制了目前超材料在机载天线研制用的应用。
刘凡在其发表的论文“机载全向通信天线的辐射与散射平衡设计研究”(电子科技大学硕士论文，2022年)中提到的一款新型超宽带机载全向通信天线，并在设计初期为其隐身性能考虑，采用内埋化和小型化设计。天线采用在机体表面挖腔内埋的安装方式，并综合使用一系列的小型化和宽带化手段缩小了天线的尺寸，并且展宽了天线的阻抗带宽。该发明虽然具有散射性能的优越性，但是，该天线仍然存在的不足之处是，其未对天线辐射和散射进行平衡设计，造成RCS恶化。
中国电子科技集团公司第二十研究所在其申请的专利文献“一种机载共形低RCS天线罩”(申请号：202111124908.X，申请公布号：CN 113922080A)中提出了一种采用超材料共形天线罩来实现低RCS性能的天线。该天线将涂覆了吸波材料的共形透波介质基材覆盖在共形铝合金框架上，共形铝合金框架的低台面上涂抹环氧胶，将共形透波介质基材和共形铝合金框架粘接起来，共形透波介质基材的边缘倒斜角和共形铝合金框架台阶倒斜角组成V形槽，V形槽内填充抗撕裂硅橡胶，由此形成共形低RCS天线。该天线使不连续处产生的散射波被吸波材料吸收来实现低RCS目的。该发明采用超材料技术，虽然降低了天线的RCS，但是，该天线仍然存在的不足之处是，天线罩采用的堆叠材料结构，增加了天线的整体结构尺寸和重量。
综上，首先上述减缩技术通常都是在天线辐射性能设计完成后再进行RCS减缩设计，而并不是从初始进行并行一体化设计，因此经常会陷入天线辐射性能与RCS性能设计之间的矛盾平衡中；其次上述单一RCS减缩技术难以满足宽频带内天线RCS减缩要求；最后天线设计与天线罩设计通常分开进行，这就有可能使得由于天线与天线罩特性失配，造成最终天线RCS恶化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线。用于解决常规刀型或盘锥机载天线结构尺寸大、RCS高以及天线与天线罩分开设计的问题。
实现本发明目的的技术思路是：由于本发明的辐射振子设计了一种T形的振子分支，该振子分支将电流分流为水平与垂直两部分，水平部分主要反射水平极化波，而对垂直极化波散射极低，而垂直部分正好相反，因此当雷达来波为垂直极化或水平极化波时，只有其中一部分会有效散射，而另一部分则散射极低，在该种状况下，天线只有部分物理结构参与散射，规避了当前常规刀型或盘锥机载天线物理面积大带来的天线的RCS高的问题。由于本发明设计了一种“衣形”的前后对称的平板介质复合结构RCS天线罩，从结构和材料两方面进行设计，从材料方面，众所周知电磁波在空间传播时，在波阻抗发生突变的地方会产生反射与投射，天线罩的设计就是天线与空间实现匹配的“桥梁”，从辐射角度来说，经过理论分析天线辐射电阻约为35Ω，自由空间波阻抗为377Ω，因此设计并选择合适相对介电常数天线罩，可以降低天线罩的反射，有利于提高天线辐射能力，从散射角度，合理介电常数的天线罩有利于降低天线罩自身散射，从而降低天线罩所带来的RCS性能劣化问题。本发明中经过分析，采用相对介电常数2.7的介质材料用于天线罩设计；从结构方面而言，天线罩在保护天线结构的同时，不同结构设计其RCS性能也不同，因此需要对天线罩进行结构优化，整个天线与天线罩固定在法兰上形成一个整体的结构，克服了现有技术先设计天线再设计天线罩导致失配弊端。由于本发明在天线罩的厚度为2.5mm，其中心区域刻蚀有矩形通孔，可使雷达来波顺利通过该区域，克服了雷达来波不能顺利通过天线罩的问题。由于本发明主要考虑飞机的前向散射，即来波沿-X轴±30°夹角范围内情况下的RCS水平，当来波在该角度范围内时，天线RCS性能主要由其垂直结果所决定，本发明在天线罩的正反面设计有矩形金属贴片，可以将照射到其附近区域不同极化来波的电场E方向扭转至沿Y轴方向，即变为水平极化，由于水平极化波的电场E与天线垂直结构相互正交，克服了雷达来波不能与天线垂直结构相互正交的问题。本发明采用集总元件加载与天线修形技术相结合，并且在天线设计中贯彻一体化设计思想，在结构设计方面采用天线与天线罩一体化设计思路，在性能设计方面采用辐射性能与RCS性能并行设计的方法。为了实现上述目的，本发明的机载低RCS全向天线包括辐射振子、天线罩、法兰，所述辐射振子是由T形的振子分支、在T形的振子分支左右两侧对称设置的阶梯形的修形缺陷地、以及长方形的集总加载元件、同轴馈电端口组成的“树形”结构，所述天线罩是由前后对称的矩形平板，并在其左右两侧削去两个对称“L形”板组成的“衣形”平板复合结构，其中心区域刻蚀有矩形通孔，位于矩形通孔底部区域附近，在天线罩的正反面分别设计了两个对称的矩形金属贴片；辐射振子嵌入到天线罩内，整个天线与天线罩固定在法兰上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，由于本发明的辐射振子设计了一种T形的振子分支，该振子分支将电流分流为水平与垂直两部分，规避了当前常规刀型或盘锥机载天线物理面积大带来的天线的RCS高的问题，使得本发明有效降低了天线的RCS，从而能够更好的平衡天线辐射性能与RCS散射性能。
第二，由于本发明设计了一种“衣形”的前后对称的平板介质复合结构RCS天线罩，整个天线与天线罩固定在法兰上形成一个整体的结构，克服了现有技术先设计天线再设计天线罩导致失配弊端，使本发明有效避免天线RCS恶化。
第三，由于本发明在天线罩的中心区域刻蚀有矩形通孔，克服了雷达来波不能顺利通过天线罩的问题，使本发明降低了天线整体RCS水平。
第四，由于本发明主要考虑飞机的前向散射，即来波沿-X轴±30°夹角范围内情况下的RCS水平，当来波在该角度范围内时，天线RCS性能主要由其垂直结果所决定，本发明在天线罩的正反面设计有矩形金属贴片，可以将照射到其附近区域不同极化来波的电场E方向扭转至沿Y轴方向，即变为水平极化，由于水平极化波的电场E与天线垂直结构相互正交，克服了雷达来波不能与天线垂直结构相互正交的问题，使本发明天线RCS有效降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明中的“树形”辐射振子的结构示意图；
图4为本发明中的天线罩的结构示意图；
图5为本发明中的固定法兰的结构示意图；
图6为本发明中的“树形”振子在频率为2GHz时的电流分布仿真结果图；
图7为本发明的电压驻波系数随频率变化曲线图；
图8为本发明的水平面(+X轴)垂直极化增益随频率变化曲线图；
图9为本发明的辐射效率随频率变化曲线图；
图10(a)为本发明在频率为1.94GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图；
图10(b)为本发明在频率为2.01GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图；
图10(c)为本发明在频率为2.1GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图；
图10(d)为本发明在频率为2.21GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图；
图11为本发明在入射角0°～30°范围内的RCS仿真分析结果图；
图12为本发明在入射角0°(-x轴方向)时的天线(实线)与单极子天线(点划线)以及盘锥天线RCS(虚线)性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图1和图2，对本发明天线的整体结构作进一步的描述。
本发明的天线包括辐射振子1、天线罩2、法兰3，所述辐射振子1嵌入到天线罩2内，辐射振子1安装于天线罩2的中心位置，整个辐射振子与天线罩固定在天线最底层的法兰3上，法兰3通过其表面的3个M5螺孔与机载平台安装固定。
参照图3，对本发明天线的辐射振子1作进一步的描述。
所述辐射振子1是由T形的振子分支1-1、在T形的振子分支1-1左右两侧对称设置的两个阶梯形的修形缺陷地1-2、以及两个长方形的集总加载元件1-3、同轴馈电端口1-4组成的“树形”结构。
所述的两个长方形的集总加载元件1-3位于两个阶梯形的修形缺陷地1-2的上方，同轴馈电端口1-4位于T形的振子分支1-1的下方。
所述的T形的振子分支1-1由左右两侧对称的两个“长靴形”的水平振子1-1-1、以及两个“倒U形”的垂直振子1-1-2组成，两个“倒U形”的垂直振子1-1-2位于两个“长靴形”的水平振子1-1-1的下方，其中水平振子1-1-1末端采用梯形加载，用于改善天线匹配性能。
所述阶梯形的修形缺陷地1-2的下方和中间，分别刻蚀有垂直“一字型”缝隙1-2-1与水平“一字型”缝隙1-2-2。
所述的辐射振子1中的T形的振子分支1-1、阶梯形的修形缺陷地1-2和同轴馈电端口1-4采用镀银金属薄铜片，铜片厚度为0.2mm，集总加载元件1-3是由电阻与电感串联连接，其中电阻为18Ω～22Ω，电感为3nH～7nH。
本发明实施例中天线的集总加载元件1-3的电阻为20Ω、电感为5nH。
参照图4，对本发明天线的天线罩2作进一步的描述。
所述天线罩2是由前后对称的矩形平板，并在其左右两侧削去两个对称“L形”板组成的“衣形”平板复合结构，两层平板介质采用高温多层压合工艺复合在一起，其中心区域刻蚀有矩形通孔2-1，其有利于降低天线RCS，位于矩形通孔2-1底部区域附近，在天线罩2的正反面分别设计了两个对称的矩形金属贴片2-2，有利于进一步降低天线RCS；所述的天线罩2采用平板介质的相对介电常数为2.7，平板介质的厚度为2.5mm，天线罩宽度28mm～32mm。本发明实施例中天线的天线罩宽度为30mm。
参照图5，对本发明天线的法兰3作进一步的描述。
所述的法兰3是圆盘形，其圆周上刻蚀有三个圆形的M5法兰固定螺孔3-1，用于预留固定天线与机载安装平台，中心位置刻蚀有圆形的同轴电缆过孔3-2，用于同轴电缆与天线连接，同轴电缆过孔3-2周围设计有两个U形金属凸起3-3和四个矩形金属凸起3-4，有利于提升天线的安装结构强度，满足机载平台飞行过载要求；所述的法兰3的直径为78mm～82mm。
本发明实施例中天线的法兰3的直径为80mm。
下面结合本发明的仿真实验对本发明的效果作进一步的说明。
一.仿真条件
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Core(TM)i5-8250U CPU，主频为1.6GHz，内存8GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和ANSYS ElectronicsDesktop软件。
二.仿真内容及仿真结果分析。
本发明的仿真实验共有七个。其中，仿真实验1为本发明天线中的辐射振子在2GHz频率处表面电流分布的仿真；仿真实验2为本发明天线的电压驻波系数VSWR的仿真；仿真实验3为本发明天线的水平面(+X轴)垂直极化增益的仿真；仿真实验4为本发明天线的辐射效率随频率变化的仿真；仿真实验5为本发明天线在1.94GHz、2.01GHz、2.1GHz、2.21GHz频率处的XOY面垂直极化与水平极化方向图的仿真；仿真实验6为本发明天线的RCS的仿真；仿真实验7为本发明天线、单极子天线和盘锥天线的RCS对比进行仿真。
仿真实验1，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明天线中的辐射振子在2GHz频率处表面电流分布进行仿真，结果如图6所示。
从图6可见，本发明的仿真实验1中天线中的辐射振子在频率为2GHz时，参照图6左面的比例尺，该辐射振子的两个“长靴形”水平振子和两个“倒U形”垂直振子比辐射振子的其他地方颜色浅，即将电流引到了振子分支上，实现了电流的分流。
仿真实验2，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明天线的电压驻波系数VSWR进行仿真，结果如图7所示。
从图7可见，横轴表示频率，纵轴表示电压驻波比，图中的曲线代表本发明电压驻波比的仿真曲线。本发明的仿真实验2中天线在电压驻波系数VSWR≤2.0时，天线的工作频率范围是1.94～2.21GHz，本发明的工作频率与目前现有技术工作频率的高频段相比，其可以在低频段工作。
仿真实验3，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明天线的水平面(+X轴)垂直极化增益进行仿真，结果如图8所示。
从图8可见，横轴表示频率，纵轴表示增益，图中的曲线代表本发明增益的仿真曲线。本发明的仿真实验3中天线在1.94～2.21GHz频段范围内，其在方位面垂直极化增益大于-2.1dBi，可见本发明的方位面垂直极化比目前现有技术的垂直极化增益-3dBi大，明显提高了0.9dBi。
仿真实验4，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明天线的辐射效率随频率变化进行仿真，结果如图9所示。
从图9可见，横轴表示频率，纵轴表示辐射效率，图中的曲线代表本发明辐射效率的仿真曲线。本发明的仿真实验4中天线在频率为1.94GHz处，天线的辐射效率为58％，随着频率升高，天线的辐射效率逐渐增加，与目前现有技术低辐射效率相比，本发明具有好的天线辐射性能。
仿真实验5，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明天线在不同频率下的XOY面垂直极化与水平极化方向图进行仿真，结果如图10所示，其中，图10(a)为本发明在频率1.94GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图，图10(b)为本发明在频率2.01GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图，图10(c)为本发明在频率2.1GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图，图10(d)为本发明在频率2.21GHz时的XOY面垂直极化与水平极化方向图。
图10中的圆周轴表示角度，径线轴表示增益，实线为垂直极化仿真曲线，虚线为水平极化仿真曲线。由图10(a)至图10(d)可见，在1.94～2.21GHz工作频段内，所有的本发明设计天线的XOY面垂直极化方向图不圆度都优于0.5dB，证明本发明的方向图在垂直极化方向具有全向性。
仿真实验6，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明天线的RCS进行仿真，结果如图11所示。
图11中的横轴表示频率，纵轴表示RCS，实线为天线在0°角度的RCS仿真曲线，短虚线为天线在10°角度的RCS仿真曲线，长虚线为天线在20°角度的RCS仿真曲线，点线为天线在30°角度的RCS仿真曲线。由图11可见，本发明天线在1.8～12GHz超宽频段内、前向±30°角度范围内，单站RCS低于-23dB，在3～11.8GHz频段内，单站RCS低于-30dB，证明本发明天线在各个角度的RCS都很低。
仿真实验7，利用仿真软件ANSYS Electronics Desktop对本发明天线、单极子天线和盘锥天线的RCS对比进行仿真，结果如图12所示。
图12中的横轴表示频率，纵轴表示RCS，实线为本发明天线的RCS仿真曲线，点划线为单极子天线的RCS仿真曲线，虚线为盘锥天线的RCS仿真曲线。由图12可见，将天线分别与近似辐射性能的单极子天线以及盘锥天线对比可以发现，当前向来波(沿-X轴方向)照射时，所设计天线(实线)的RCS显著低于单极子天线(点划线)与盘锥天线(虚线)。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，包括辐射振子(1)、天线罩(2)、法兰(3)，其特征在于：所述辐射振子(1)是由T形的振子分支(1-1)、在T形的振子分支(1-1)左右两侧对称设置的阶梯形的修形缺陷地(1-2)、以及长方形的集总加载元件(1-3)、同轴馈电端口(1-4)组成的“树形”结构，所述天线罩(2)是由前后对称的矩形平板，并在其左右两侧削去两个对称“L形”板组成的“衣形”平板复合结构，其中心区域刻蚀有矩形通孔(2-1)，位于矩形通孔(2-1)底部区域附近，在天线罩(2)的正反面分别设计了对称的矩形金属贴片(2-2)；辐射振子(1)嵌入到天线罩(2)内，整个天线与天线罩固定在法兰(3)上。
2.根据权利要求1所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的辐射振子(1)中的长方形的集总加载元件(1-3)位于阶梯形的修形缺陷地(1-2)的上方，同轴馈电端口(1-4)位于T形的振子分支(1-1)的下方；所述T形的振子分支(1-1)由左右两侧对称的两个“长靴形”的水平振子(1-1-1)、以及两个“倒U形”的垂直振子(1-1-2)组成，两个“倒U形”的垂直振子(1-1-2)位于两个“长靴形”的水平振子(1-1-1)的下方；所述阶梯形的修形缺陷地(1-2)的下方和中间，分别刻蚀有垂直“一字型”缝隙(1-2-1)与水平“一字型”缝隙(1-2-2)。
3.根据权利要求2所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的集总加载元件(1-3)是由电阻与电感串联连接，其中电阻为18Ω～22Ω，电感为3nH～7nH。
4.根据权利要求1所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的辐射振子(1)中的T形的振子分支(1-1)、阶梯形的修形缺陷地(1-2)和同轴馈电端口(1-4)采用镀银金属薄铜片。
5.根据权利要求1所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的辐射振子(1)中采用的铜片厚度为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的天线罩(2)采用平板介质的相对介电常数为2.7。
7.根据权利要求1所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的天线罩(2)采用平板介质的厚度为2.5mm，天线罩宽度28mm～32mm。
8.根据权利要求1所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的法兰(3)是圆盘形，其圆周上刻蚀有3个圆形的M5法兰固定螺孔(3-1)，中心位置刻蚀有圆形的同轴电缆过孔(3-2)，同轴电缆过孔(3-2)周围设计有两个U形金属凸起(3-3)和四个矩形金属凸起(3-4)。
9.根据权利要求1所述的集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线，其特征在于：所述的法兰(3)的直径为78mm～82mm。
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|---|---|
| CN117996432A true CN117996432A (zh) | 2024-05-07 |
Family
ID=90891040
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410246088.9A Pending CN117996432A (zh) | 2024-03-05 | 2024-03-05 | 集总元件加载与天线修形技术结合的机载低rcs全向天线 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117996432A (zh) |
-
2024
- 2024-03-05 CN CN202410246088.9A patent/CN117996432A/zh active Pending
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