CN220797087U - 一种微带天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种微带天线，用于微波频段的通信和雷达系统，所述微带天线包括：用于辐射的辐射贴片，所述辐射贴片下方设置有用于提供介质支持的介质基板；所述辐射贴片在矩形型结构的基础上沿其长度方向的中线由两宽边的中部向对向方向延设有开槽，使辐射贴片形成“H”型结构；本实用新型能够保持天线辐射特征不变，改变天线的散射特征外形，从而降低了天线带内结构项散射，通过减小目标物体在雷达系统中的散射信号，可以有效地降低天线的雷达截面积(RCS)，提高目标的隐身性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种微带天线。
背景技术
微带天线是一种用于无线通信和雷达系统中的一种小型天线。它由金属贴片或金属线构成，贴在介质基板的一侧，形成一对电极，通过与介质基板以及地板之间的电磁耦合来实现辐射和接收电磁波。
为了降低被雷达探测到的可能性，相关技术通过低散射外形修饰或者加载吸波材料控制目标的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)，即目标对探测雷达波的散射能力，从而削弱雷达对于目标体的探测能力，从而实现目标隐身；但是，天线辐射体必须要满足一定的尺寸和形状以保证频率、增益等辐射性能，如果对天线辐射体低进行散射外形、尺寸进行过度修饰将破坏天线辐射性能；而且，天线加载的吸波材料不仅吸收雷达探测波，同时也吸收天线辐射波，在降低天线RCS同时也牺牲了天线的辐射性能。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是如何降低微带天线的带内RCS特征，降低散射、提高隐身性。
本实用新型为解决所述技术问题的微带天线，用于微波频段的通信和雷达系统，所述微带天线包括：用于辐射的辐射贴片，所述辐射贴片下方设置有用于提供介质支持的介质基板；所述辐射贴片在矩形型结构的基础上由两宽边的中部向对向方向延设有开槽，使辐射贴片形成“H”型结构。
优选的，所述辐射贴片的长度L与工作频率对应的波长λ和介质基板的介电常数ε满足如下计算公式：
所述辐射贴片的宽度W与长度L满足如下关系：
L/4≤W≤L/2；
所述开槽的宽度W1与所述辐射贴片的宽度W满足如下关系：
W/4≤W1≤L/3。
优选的，所述微带天线还包括用于将信号输入到辐射贴片的馈电端口，所述馈电端口距离辐射贴片的其中一条宽边的距离L2满足如下关系：
W≤L2≤L/2；
两所述开槽的之间的距离L1满足如下关系：
W1≤L1≤L/2；
两所述开槽距离所述馈电端口的长度D1、D2满足如下关系：
D1＝D2；
两所述开槽的之间的距离L1与两所述开槽距离所述离馈电端口的长度D1、D2满足如下关系：
L1＝D1+D2。
优选的，所述介质基板为菱形，所述介质基板的较长的对角线对应的内角α的范围为60°～80°，所述介质基板的介电常数ε的范围为2.2～16，所述介质基板的厚度H的范围为0.01λ～0.05λ，所述介质基板的对角线长度A的范围为1λ～2λ；其中，λ为自由空间波长。
优选的，所述微带天线还包括用于反射和辐射电磁波的金属地板，所述金属地板设置于所述介质基板下方，所述金属地板的大小和形状与所述介质基板的大小和形状相同。
优选的，所述微带天线还包括金属化通孔，所述金属化通孔贯通所述介质基板，所述金属化通孔的侧壁的一端与所述辐射贴片焊接，另一端与所述金属地板焊接。
优选的，所述金属化通孔的数量为多个，多个所述金属化通孔间隔均匀地排成一列设置于所述辐射贴片宽边的中轴线上。
优选的，多个所述金属化通孔均分为两组，两组所述金属化通孔以所述辐射贴片长度方向的中线为对称轴对称设置。
优选的，每个所述金属化通孔的直径d与工作频率对应的自由空间波长λ的比值d/λ不大于0.1，每个所述金属化通孔的直径d与相邻的两个所述金属化通孔的圆心间距s的比值d/s不小于0.5。
优选的，馈电端口是具有50欧～100欧特性阻抗值的同轴线探针馈电形式，所述同轴线内芯与所述辐射贴片焊接，所述同轴线外皮与所述金属地板焊接。
有益效果：
相关技术的微带天线在工作频段内散射强、隐身性差。相关技术中的天线散射控制手段对带内散射控制效果很差；辐射贴片的开槽结构的设置，可以改变天线的散射特性，使其辐射能量更加集中和定向；可以实现对特定频率范围内的电磁波的散射抑制，从而减小目标物体在雷达系统中的散射信号；通过减小目标物体在雷达系统中的散射信号，可以有效地降低天线的雷达截面积(RCS)，即目标物体对雷达系统的散射截面；可以提高目标的隐身性能，减小其被侦测到的概率。本实用新型能够保持天线辐射特征不变，改变天线的散射特征外形，从而降低了天线带内结构项散射；工作频带内RCS值降低了2dB～16dB。
附图说明
图1为本实用新型根据本实施例微带天线的俯视示意图；
图2为本实用新型根据本实施例微带天线的侧视示意图；
图3为作为对比的传统矩形微带天线的俯视图和侧视图；
图4为本实施例的微带天线和传统矩形微带天线的驻波比仿真结果；
图5为本实施例的微带天线和传统矩形微带天线在频率为4.3GHz时的辐射方向图仿真结果；
图6为本实施例的微带天线和传统矩形微带天线分别安装在模拟隐身飞机载体上的RCS结果。
附图标记：介质基板1；辐射贴片2；馈电端口3；金属化通孔4；金属地板5。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型进行详细说明如后。
图1为本实用新型根据本实施例微带天线的俯视示意图，如图1所示，本实用新型的微带天线包括辐射贴片2，辐射贴片的形状可以是矩形、圆形、椭圆形等，根据不同的设计要求选择。辐射贴片2下方设置有介质基板1，介质基板1的作用是提供介质支持，介质基板1的材料和介电常数对微带天线的性能有很大影响；介质基板1下方设置有金属地板5，是位于介质基板1下方的金属层，作为微带天线的地平面，起到反射和辐射电磁波的作用；介质基板1和金属地板5的大小和形状对天线的性能影响较大，为提供反射和辐射效果，可以根据介质基板1和金属地板5的尺寸和形状以及天线的频率和性能要求进行设计。辐射贴片2上设置有馈电端口3，采用同轴线馈电的方式将信号输入到辐射贴片2中。
天线区别于普通目标在于其能够接收和辐射电磁波。根据天线散射理论，天线的散射波由结构项和模式项构成。结构项散射波由天线辐射体、天线罩等结构部件对探测波的反射波、绕射波组成；模式项散射波由天线被动接收工作频带内的雷达探测波后产生的二次辐射波组成。
带内散射是指天线工作频带内的散射情况，由带内结构项散射和带内模式项散射构成。工作频带是指在某种特定的电子设备或系统中，能够正常工作和传输信号的频率范围。在通信、雷达、无线电等领域中，电子设备通常需要在特定的频率范围内进行信号的接收、发射和处理。
当工作频带内的雷达探测波照射天线后，天线会直接散射一部分电磁波形成带内结构项散射，同时天线会接收一部分电磁波并产生二次辐射形成带内模式项散射。
通常隐身目标与探测雷达之间的水平距离远远大于两者的高度差，探测雷达波以掠入射形式照射目标。这时雷达的主要探测区域被限制在目标前向角域的一个范围内，一般是方位角[-30°,+30°]，俯仰角[-5°,+5°](方位角是图1中XOY平面内雷达观察方向与X轴夹角，俯仰角是图1中雷达观察方向与XOY平面的夹角)。微带天线属于定向辐射天线，在方位角[-30°,+30°]，俯仰角[-5°,+5°]角域范围内增益较低，因此带内模式项散射非常弱可以忽略，带内结构项散射为天线散射的主要部分。
当探测波照射天线时，介质基板1和辐射贴片2的棱边、顶角、垂直面等结构会产生镜面反射波、绕射波等，尤其在工作频带内，介质基板1和辐射贴片2尺寸与探测波频率相关，引发谐振后会形成较强的带内结构项散射，造成微带天线带内RCS值高，造成隐身性差；因此，本实用新型采用开槽矩形微带贴片天线并增加金属化通孔的设计，在保持天线辐射特征外形同时改变天线的散射特征外形，降低了天线带内结构项散射，从而降低了天线的RCS值。
介质基板1的大小、形状和介电常数对微带天线的性能有很大影响，合适的基底板结构和介电常数可以提高天线的效率和频率选择性；如图1所示，图本实用新型的介质基板1具有菱形外形，菱形内角α的范围为60°～80°，介质基板1的对角线长度A的范围为1λ～2λ，介质基板1的介电常数ε的范围为2.2～16，厚度H的范围是0.01λ～0.05λ，其中，λ代表天线工作频率对应的波长。
金属地板5的大小和形状与介质基板1的大小和形状相同。
辐射贴片2是微带天线的主要辐射元件，通常由导电材料制成，如铜片、金属薄膜等。如图1所示，辐射贴片2是外形为开槽矩形的金属贴片，整体呈“H”型结构；辐射贴片2的长度L与工作频率对应的波长λ和介质基板1的介电常数ε满足如下计算公式：
辐射贴片2的宽度W与长度L满足如下关系：
L/4≤W≤L/2
馈电端口3是同轴线探针馈电形式，具有50欧～100欧特性阻抗值；同轴线内芯焊接辐射贴片2，同轴线外皮焊接金属地板5；能够提供较好的信号传输和较低的信号损耗，同时也具有较好的抗干扰性能；馈电端口3设置于辐射贴片2长度方向的中轴线上，馈电端口3距离辐射贴片2其中一条宽边的距离L2满足如下关系：
W≤L2≤L/2
辐射贴片2沿其长度方向的中线，由两宽边的中部向馈电端口3的方向分别延设有第一开槽1和第二开槽2，第一开槽1和第二开槽2的宽度W1相同，第一开槽1和第二开槽2的宽度W1与辐射贴片2的宽度W满足如下关系：
W/4≤W1≤L/3
且第一开槽1和第二开槽2位于辐射贴片2的长度方向的中线位置，即W2＝W3；
第一开槽1和第二开槽2的之间的距离L1满足如下关系：
W1≤L1≤L/2
第一开槽1和第二开槽2的之间的距离L1与第一开槽1距离馈电端口3的距离D1、第二开槽2距离馈电端口3的距离D2满足如下关系：
D1＝D2，L1＝D1+D2。
辐射贴片2的开槽结构可以使天线的有效反射面积减小，从而降低目标物体对电磁波的反射。这样可以减小目标物体在雷达系统中的回波信号，降低其被侦测到的可能性。
图2为本实用新型根据本实施例微带天线的侧视示意图，如图1至2所示，为了进一步改变天线的散射特征外形，降低天线带内结构项散射，本实用新型的微带天线还包括金属化通孔4，金属化通孔4贯通介质基板1，其两端连接辐射贴片2和金属地板5，每个金属化通孔的直径d与工作频率对应的自由空间波长λ的比值d/λ不大于0.1，每个金属化通孔的直径d与相邻的两个金属化通孔的圆心间距s的比值d/s不小于0.5，多个金属化通孔排成一列设置于辐射贴片2宽边的中轴线所在的虚拟直线上，也就是L/2处。在本实施例中，金属化通孔4的数量为8个，每4个为一组，每组设置于辐射贴片2的“H”型结构的边部。值得说明的是，金属化通孔4的个数并不不做限制，可根据辐射贴片2的尺寸和形状以及天线的频率和性能要求进行设计。
辐射贴片2的开槽结构以及金属化通孔结构的设置，可以改变天线的散射特性，使其辐射能量更加集中和定向。通过本实用新型辐射贴片的开槽结构以及金属化通孔结构的形状和尺寸设置，可以实现对特定频率范围内的电磁波的散射抑制，从而减小目标物体在雷达系统中的散射信号；通过减小目标物体在雷达系统中的散射信号，可以有效地降低天线的雷达截面积(RCS)，即目标物体对雷达系统的散射截面；可以提高目标的隐身性能，减小其被侦测到的概率。
例如，通过以下具体实施例作进一步说明：参考图1至2所示的微带天线的俯视示意图和侧视示意图，包括：包括辐射贴片2，辐射贴片2下方设置有介质基板1，介质基板1下方设置有金属地板5，辐射贴片2上设置有馈电端口3，采用同轴线馈电的方式将信号输入到辐射贴片2中。辐射贴片2印制在介质基板1上侧，金属地板5印制在介质基板1下侧。
介质基板1外形为菱形，菱形内角α为70°，介电常数ε是3.0，厚度H是1mm。
辐射贴片2是外形为开槽矩形的金属贴片，长度L是20.1mm，宽度W是8mm，开槽W1是3mm，W2＝W3＝2.5mm，L1是8mm，L2是8.5mm，D1＝D2＝4mm.
馈电端口3是同轴线探针馈电形式，具有100欧特性阻抗值。同轴线内芯焊接辐射贴片2，同轴线外皮焊接金属地板5。
金属化通孔4贯通介质基板1，两端连接辐射贴片2和金属地板5，每个金属化通孔直径d为0.2mm，与相邻金属化通孔的圆心间距s为0.5mm。
为了进一步说明本实用新型的低RCS特征，图为作为对比的传统矩形微带天线的俯视图和侧视图，图1至2的天线与图3的天线具有相同的工作频率。
图4为本实施例的微带天线和传统矩形微带天线的驻波比仿真结果，如图4所示，横轴为频率，纵轴为驻波比。可见两者天线在4.285GHz～4.325GHz频率范围内驻波比小于2。
图5为本实施例的微带天线和传统矩形微带天线在频率为4.3GHz时的辐射方向图仿真结果，如图5所示，横轴为方位角，纵轴为俯仰角。可见两者天线最大增益分别为6.82dBi和6.95dBi。
图6为本实施例的微带天线和传统矩形微带天线分别安装在模拟隐身飞机载体上的RCS结果。当雷达探测波频率分别以频率4.3GHz，方位角为[-90°,+90°]，俯仰角为0°的掠入射形式照射两者天线时，两者天线的RCS仿真曲线，横轴为方位角，纵轴为RCS值。可见在方位角[-30°,+30°]范围内，本实施例的微带天线工作频带内的RCS值较传统矩形微带天线工作频带内的RCS值降低了2dB～16dB。
本实用新型采用开槽矩形微带贴片天线并增加金属化通孔的设计，在保持天线辐射特征外形同时改变天线的散射特征外形，降低了天线带内结构项散射，从而降低了天线的RCS值。
通过具体实施方式的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。
Claims (10)
1.一种微带天线，其特征在于，用于微波频段的通信和雷达系统，所述微带天线包括：用于辐射的辐射贴片，所述辐射贴片下方设置有用于提供介质支持的介质基板；
所述辐射贴片在矩形型结构的基础上由两宽边的中部向对向方向延设有开槽，使辐射贴片形成“H”型结构。
2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述辐射贴片的长度L与工作频率对应的波长λ和介质基板的介电常数ε满足如下计算公式：
所述辐射贴片的宽度W与长度L满足如下关系：
L/4≤W≤L/2；
所述开槽的宽度W1与所述辐射贴片的宽度W满足如下关系：
W/4≤W1≤L/3。
3.根据权利要求2所述的微带天线，其特征在于，所述微带天线还包括用于将信号输入到辐射贴片的馈电端口，所述馈电端口距离辐射贴片的其中一条宽边的距离L2满足如下关系：
W≤L2≤L/2；
两所述开槽的之间的距离L1满足如下关系：
W1≤L1≤L/2；
两所述开槽距离所述馈电端口的长度D1、D2满足如下关系：
D1＝D2；
两所述开槽的之间的距离L1与两所述开槽距离所述馈电端口的长度D1、D2满足如下关系：
L1＝D1+D2。
4.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述介质基板为菱形，所述介质基板的较长的对角线对应的内角α的范围为60°～80°，所述介质基板的介电常数ε的范围为2.2～16，所述介质基板的厚度H的范围为0.01λ～0.05λ，所述介质基板的对角线长度A的范围为1λ～2λ；其中，λ为自由空间波长。
5.根据权利要求1至4任一项所述的微带天线，其特征在于，所述微带天线还包括用于反射和辐射电磁波的金属地板，所述金属地板设置于所述介质基板下方，所述金属地板的大小和形状与所述介质基板的大小和形状相同。
6.根据权利要求5所述的微带天线，其特征在于，所述微带天线还包括金属化通孔，所述金属化通孔贯通所述介质基板，所述金属化通孔的侧壁的一端与所述辐射贴片焊接，另一端与所述金属地板焊接。
7.根据权利要求6所述的微带天线，其特征在于，所述金属化通孔的数量为多个，多个所述金属化通孔间隔均匀地排成一列设置于所述辐射贴片宽边的中轴线上。
8.根据权利要求7所述的微带天线，其特征在于，多个所述金属化通孔均分为两组，两组所述金属化通孔以所述辐射贴片长度方向的中线为对称轴对称设置。
9.根据权利要求7至8任一项所述的微带天线，其特征在于，每个所述金属化通孔的直径d与工作频率对应的自由空间波长λ的比值d/λ不大于0.1，每个所述金属化通孔的直径d与相邻的两个所述金属化通孔的圆心间距s的比值d/s不小于0.5。
10.根据权利要求5所述的微带天线，其特征在于，馈电端口是具有50欧～100欧特性阻抗值的同轴线探针馈电形式，同轴线内芯与所述辐射贴片焊接，同轴线外皮与所述金属地板焊接。
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