CN218160815U - 一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线，天线单元由底馈微带贴片、四个锐角支节结构、四个L形接地结构和介质基板组成。其中四个锐角支节结构分别位于贴片辐射边的四个角，其尖角与L形接地结构的直角相对放置。当超过阈值的强电磁脉冲照射天线时，高能微波通过锐角支节结构而造成空气击穿放电并接地释放。本发明在不影响天线收发功能条件下，具备抑制高能微波的能力，平面化的简单结构，易于集成组阵，可应用于要求具备电磁脉冲防护功能的相控阵雷达系统中。

Description

一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线

技术领域

本发明属于电子防护与电磁兼容技术领域。

背景技术

近几十年电磁脉冲的应用迅速发展，对电磁防护的研究也逐渐扩大，现在已经发展成为对电子系统的电磁环境效应研究。目前，美国已经制定了比较完善的关于电磁防护的标准和相关规范，其中都有明确的抗静电和抗电磁脉冲的指标，高功率微波电磁辐射作为主要研究内容，其对电子系统的影响和减轻这种影响的防护技术被重点关注。

强电磁脉冲对电子系统的影响分为扰乱、降级、损坏和摧毁，这主要取决于电磁脉冲所产生的功率，与目标之间的距离以及电磁脉冲辐射的特性(频率、脉冲速度、脉冲持续时间等)，还有目标的防护能力。在L、S波段，HPM辐射幅度达数百V/m时，通信系统中的信号不完整性问题变得非常严重；当HPM辐射强度进一步增加到15-25kV/m时，通信设备即使不处于工作状态也将被永久击穿。强电磁脉冲毁伤效应是指强电磁脉冲作用在各种物体和系统上产生的效果。其中，电效应是指当微波射向目标时，其瞬变磁场会在目标的金属表面或导线上产生高电压或大电流，而且感应电压或电流的强度会随着微波强度的增加而增强。当使用0.011μW/cm²功率密度的微波波束照射目标时，能干扰相应频段上的雷达、通信设备和导航系统，使其无法正常工作。当功率密度达到0.01-1W/cm²时，可导致雷达、通信设备和导航系统的器件性能下降或失效，还会使小型计算机系统的芯片失效或烧毁。当使用功率密度为10-100W/cm²的强微波波束照射目标时，其辐射形成的电磁场可以在金属目标的表面产生感应电流，通过天线、导线、金属开口或缝隙进入导弹、飞机、卫星、坦克等系统内电子设备的电路中。若感应电流较大，会使电路功能紊乱、出现误码、中断数据或信息传输，抹掉计算机存储或记忆信息等。如果感应电流很大时，则会烧毁电路中的元器件，使军用装备和武器系统失效。

在强电磁脉冲作用下，武器装备电磁防护主要包括天线端口的防护、主机机箱的防护、射频前端的防护、电源线缆的防护、敏感器件和电路防护等，传统强电磁脉冲防护方法主要是滤波和限幅。通过带外滤波、带内限幅的方法，从频域和能量域防止强电磁脉冲对系统造成毁伤，对于天线、大开口孔缝等空间耦合途径，常采用频率选择表面、离子体限幅器等进行防护，对于电源线、信号线等耦合途径，常采用滤波器、PIN限幅器、气体放电管、浪涌保护器件等进行防护。然而，这些手段应用于强电磁防护存在一定的局限。从威胁来源看，高功率微波源瞬时辐射功率大，脉冲峰值场强和功率密度高，杀伤范围大，其辐射频谱可覆盖30MHz-50 GHz，脉冲峰值功率已达数十千兆瓦(GW)，瞬时电磁脉冲峰值场强可达数百千伏/米，这对现有电磁防护的功率容量和工作带宽提出了更高的要求。从防护对象看，空间场的电磁防护在电子系统设计中最为关键，构造安全电磁空间最有效的方法是金属屏蔽，但是金属屏蔽在有效屏蔽强电磁脉冲的同时也阻断了被保护设备的信号收发。强电磁环境威胁条件下，电子系统既要能够抵御强电磁脉冲的攻击，又要能有效接收和发送正常的电磁信号，这就要求电磁防护手段具有能量低通特性，类似空间限幅的作用效果，始终保证电子系统的安全。

发明内容

本发明提出一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线，解决强电磁环境威胁条件下电子设备正常工作的问题，具有低成本、结构简单、易于共形和集成组阵等特点，能广泛应用于电磁防护领域。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线，包括贴片天线、锐角支节、L形接地结构、介质基板、接地板和馈电同轴；

其中：接地板位于介质基板的下表面，为介质基板提供支撑，为馈电同轴提供固定；

馈电同轴的内导体穿过接地板和介质基板再连接贴片馈电；

锐角支节位于微带贴片的辐射边，分布在贴片的四个角上；

L形接地结构与锐角支节成对放置，且相隔一定距离，每个L形接地结构通过两个金属柱与接地板相连。

通过外加的强电磁脉冲耦合激励，在锐角支节与L形接地结构之间产生感应电压，当感应电压超过空气击穿电压阈值时，高能微波通过接地释放，实现能量拒止功能。

进一步的，所述介质基板极化方向与贴片天线一致，采用Taconic RF-35TC高频微波板材，厚度0.508mm；根据峰值场强为50kV/m至22kV/m的强电磁脉冲激励，锐角支节角度范围在20度至45度以内，与L形接地结构相距1.4mm。。

与现有技术相比，本发明的拒止强电磁脉冲的贴片天线具备以下有益效果：

1、当高能电磁场照射该天线时，入射电磁波能量未达阈值时允许其通过，超过阈值时被放电接地，起到电磁防护效果；

2、附加的放电结构尺寸小，阈值调整灵活，适合大规模相控阵天线的设计，代替能量选择天线罩，减小了插入损耗，降低了设计难度。

3、入射电磁脉冲能量阈值内，所设计的尖端放电结构对贴片天线匹配和辐射特性影响很小。

附图说明

图1是本发明提供的拒止强电磁脉冲的贴片天线结构图，其中1为介质基板，2为贴片天线，3为馈电同轴，4为锐角支节，5为L形接地结构；

图2是图1中的天线单元构成的1×5的阵列结构示意图；

图3是图1中的天线单元在周期边界条件下有无附加放电结构的有源反射系数对比；

图4是图2中1×5的线阵在外加激励照射超过阈值时的放电结构感应电压。

具体实施方式

下面结合1×5的天线线阵实施例对本发明进行详细的说明。

对于周期结构设计可以通过采用无限大周期边界来分析阵中单元匹配特性。

其中，如图1所示，本实施例中介质基板采用的是0.508mm厚的Taconic RF-35TC，介电常数和损耗正切角分别是3.5和0.0011。天线单元由微带贴片和附加放电结构组成，其中贴片利用同轴连接器内导体馈电，附加放电结构由贴片辐射边的四个锐角支节和L形接地结构组成。锐角支节的两个直角边长为3mm，与L形接地结构的直角间距为1.4mm，L形接地结构边长为1mm，通过金属柱接地。组阵后通过改变锐角支节的边长调节锐角角度，角度越小，放电阈值越低，反之越高。

图2为1×5的天线以中心频点半波长(15mm)单元间距水平排列俯视图。

图3为所述天线单元有无附加放电结构时的阵中有源驻波。其中虚线代表无附加放电结构，实线代表有附加放电结构，两者只有轻微频偏的区别，不影响天线阻抗匹配。

图4是所述线阵由外部平面波照射时附加放电结构感应电压。平面波极化方向与天线极化一致，其幅度为22kV/m，此时电压差为3.079MV/m，超过空气击穿电压阈值(3MV/m)，外部能量无法通过天线传输进来，实现了电磁屏蔽的效果。

以上内容是结合具体的优选方式对本发明所做的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做成若干简单推演或替换，如采用相同电参数和结构参数国产介质基板等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (2)

1.一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线，其特征在于：所述天线包括贴片天线、锐角支节、L形接地结构、介质基板、接地板和馈电同轴；其中接地板位于介质基板的下面，为介质基板提供支撑，固定馈电同轴；馈电同轴的内导体穿过接地板和介质基板再连接贴片馈电；锐角支节位于微带贴片的辐射边，分布在贴片的四个角上；L形接地结构与锐角支节成对放置，且相隔一定距离，每个L形接地结构通过两个金属柱与接地板相连；外加的强电磁脉冲耦合激励，在锐角支节与L形接地结构之间产生感应电压，利用其空气击穿特性实现能量拒止功能。

2.根据权利要求1所述的基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线，其特征在于：所述介质基板极化方向与贴片天线一致，采用Taconic RF-35TC高频微波板材，厚度0.508mm；根据峰值场强为50kV/m至22kV/m的强电磁脉冲激励，锐角支节角度范围在20度至45度以内，与L形接地结构相距1.4mm。

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