CN110048240B - 一种高阻带抑制度低雷达散射截面积透射阵列天线 - Google Patents

一种高阻带抑制度低雷达散射截面积透射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高阻带抑制度低雷达散射截面积透射阵列天线，本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，具体涉及透射阵列天线增强对带外干扰信号抑制能力、缩减雷达散射截面积(RCS)等技术。本发明所提出的高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线采用喇叭天线进行馈电，其高阻带透射单元、高频带阻频率选择表面与双极化带通阻性频率选择表面一体化，并且通过调整单元相应参数，实现对透射特性、RCS缩减特性的独立控制。本发明有益效果有：1.提出了高阻带抑制度低RCS透射阵天线单元结构；2.显著提升了天线对带外干扰信号的抑制能力；3.利用低频和高频不同结构作为双极化带通阻性频率选择表面地板的设计，实现了RCS在超宽带的缩减。

Description

一种高阻带抑制度低雷达散射截面积透射阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，具体涉及透射阵列天线增强对带外干扰信号抑制能力、缩减雷达散射截面积(RCS)等技术。
背景技术
阻带抑制度是衡量通信***对干扰信号抑制能力的重要指标。该参数越高说明***对带外干扰信号的抑制能力越强。大多数无线通信***中，滤波器通常直接接在天线的输入或输出端口。滤波器和天线作为两个尺寸较大的关键器件，通常是独立设计，但是当把滤波器与天线进行级联使用，往往会导致阻抗失去匹配。此时需要引入额外的匹配电路实现阻抗匹配，而这又使得***复杂，增加***的重量、尺寸以及损耗。此外，高阻带抑制度滤波器的设计需要增加滤波器的阶数，会显著提升器件复杂度与体积。因此，对天线增加滤波功能，在保证其辐射特性的基础上，实现其对带外干扰信号的有效抑制，可以显著降低滤波器以及整体射频电路的设计难度。
雷达散射截面(Radar Cross Section，缩写为RCS)是雷达隐身技术中最关键的概念，它是表征目标在雷达波照射下在某一方向产生的散射波强度的一种物理量。雷达在探测目标时，雷达通过天线把电磁波能量辐射到空间某一方向，此方向上的物体被电磁波照射时，根据麦克斯韦方程和电磁场边界条件，该物体和物体周围都会产生新的电磁场，这就是目标的散射场。雷达接收到目标散射的电磁波，送至接收设备进行处理，提取相关信息，便能实现对目标进行测距、识别、跟踪等功能。散射能量的空间分布称为散射方向图。对被照射物体而言，不同物体的尺寸、空间结构、组成材料等对散射方向图会造成不同的影响。另外，雷达所发射的电磁波的角度、频率、极化方向等电磁波特性也是影响散射方向图有重要因素。
透射阵列天线由平面透射阵和馈源喇叭组成。透射阵面是由大量印制于介质基片上的微带贴片单元组成的平面阵列。其工作机理是：电磁波从喇叭馈出以后，沿着不同的传输路径到达每个单元，传输路径长度的差异将导致各单元所接收的入射场发生不同的空间相位延迟，通过合理设计每个单元，使其能对入射场进行适当相位补偿，让出射场在天线口径面上形成所需的同相位波前。传统相控阵之所以复杂笨重，主要因为其辐射谐振单元与移相器相分离。而透射阵天线最大的优势在于其辐射单元将辐射特性与移相特性合为一体。在经典透射阵列天线的设计中，利用多层频率选择表面设计的具有空间滤波特性的透射阵列天线得到了广泛的关注。在滤波器理论的指导下，利用特定形状的金属贴片来进行电感电容的等效，并通过合理级联，从而形成特定滤波效果的透射阵单元。然而，尽管此种透射单元可以形成具有高阻带抑制度的传输通带，但其在工作频带外对入射电磁波呈现全反射状态，使得其雷达散射截面积(RCS)与等大金属地板相当。另一方面，尽管RCS缩减技术在相控阵天线中得到了广泛的关注，关于透射阵天线的RCS缩减技术却鲜有报道。因此，提出一种具有高阻带抑制度，同时兼备低雷达散射截面积的透射阵列天线，对推广其在通信与雷达领域的应用有很大意义。
发明内容
本发明设计了一种具有高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线。在保证其工作频带内辐射能力的基础上，利用高阻带抑制度透射阵单元、双极化带通吸收型频率选择表面以及带阻频率选择表面，实现了单元的高阻带抑制度与在超宽带范围内的低RCS特性。
本发明技术方案为一种高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线，包括：馈源喇叭和透射阵列天线，所述馈源喇叭正对透射阵列天线；所述透射阵列天线由多个独立控制单元组成，所述每个独立控制单元包括由上至下设置的：一层双极化带通吸收型频率选择层、两层或两层以上的高频带阻频率选择层、三层或三层以上的高阻带抑制度透射层；
所述双极化带通吸收型频率选择层包括：双极化带通吸收型频率选择表面微带电路和双极化带通吸收型频率选择表面介质基板，其中双极化带通吸收型频率选择表面微带电路包括两个极化方向相反的频率选择表面电路，分别设置于双极化带通吸收型频率选择表面介质基板的上表面和下表面；
所述高频带阻频率选择层包括：高频带阻频率选择表面金属贴片和高频带阻频率选择表面介质基板，其中高频带阻频率选择表面金属贴片设置于高频带阻频率选择表面介质基板的下表面，所述高频带阻频率选择表面金属贴片包括4个小单元，每个小单元包括一大一小两个同心同轴的正方形金属贴片；
所述高阻带抑制度透射层包括：高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片和高阻带抑制度透射阵列单元介质基板，其中高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片覆盖于高阻带抑制度透射阵列单元介质基板的上表面，所述高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片刻蚀有4组镂空部，每组镂空部为一大一小两个同心同轴的正方形。
进一步的，所述透射阵列天线中各独立控制单元的高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片的大小不同，不同位置的独立控制单元的高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片大小根据实现平面波与球面波转换所需补偿相位决定。
进一步的，所述双极化带通吸收型频率选择表面微带电路上表面包括两条平行的直线电路，下表面包括两条平行的直线电路，上下表面的直线电路方向垂直；上下表面直线电路的中心位置均为并联的平行线电容与弯折线电感，在其两侧各连接一个阻值为150欧的电阻。
进一步的，所述高频带阻频率选择表面金属贴片中每个小单元的大正方形金属贴片的边长为5-6毫米，小正方形边长为为2-3毫米；所述高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片中每组镂空部的大正方形的边长为6-7毫米，小正方形边长为3-4毫米；
进一步的，所述高频带阻频率选择层为三层，其中高频带阻频率选择表面金属贴片中每个小单元的大正方形金属贴片的边长6毫米，小正方形边长为3毫米；所述高阻带抑制度透射层为四层，其中高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片中每组镂空部的大正方形的边长为7毫米，小正方形边长为4毫米。
所述高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线单元可实现对带外干扰信号的高效抑制以及对超宽频带范围内RCS的有效缩减；通过利用高阻带抑制度透射单元对低于透射阵列天线工作频带范围内干扰信号的高效抑制，以及高阻带抑制度透射单元与高频带阻频率选择表面在高频范围内对干扰信号的共同抑制，实现了所提出单元的高阻带抑制特性；加载的双极化带通阻性频率选择表面，其在低频利用高阻带抑制度透射单元作为地板，在高频利用高频带阻频率选择表面作为地板，实现了工作频带外低频与高频共同吸收，从而实现了透射阵天线在超宽带内的低RCS特性。
本发明所提出的高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线采用喇叭天线进行馈电，其高阻带透射单元、高频带阻频率选择表面与双极化带通阻性频率选择表面一体化，并且通过调整单元相应参数，实现对透射特性、RCS缩减特性的独立控制。
本发明有益效果有：1.提出了高阻带抑制度低RCS透射阵天线单元结构；2.显著提升了天线对带外干扰信号的抑制能力；3.利用低频和高频不同结构作为双极化带通阻性频率选择表面地板的设计，实现了RCS在超宽带的缩减。
附图说明
图1为本发明中高阻带抑制度低RCS的透射阵列单元示意图；图中，101为高阻带抑制度低RCS透射阵天线单元，101-1为双极化带通吸收型频率选择表面微带电路及其介质基板上表面，101-2为高频带阻频率选择表面金属贴片及其介质基板上表面，101-3为高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片及其介质基板上表面。
图2为本发明中透射阵列天线接受雷达照射示意图；图中，102-1为馈源喇叭，102-2为透射阵列天线，102-3为入射平面波示意图。
图3为具体实施实例中高阻带抑制度透射阵列单元在不加载任何结构时的传输幅度结果，可以看出所采用的透射阵列单元为带通形式，在低于和高于工作中心频点的频率范围内对电磁波呈现反射状态；
图4为具体实施实例中所提出的高阻带抑制度低RCS的透射阵列单元的传输幅度结果，可以看出所提出的高阻带抑制度低RCS一体化透射阵列单元对工作频带外的电磁干扰有极好的抑制效果；
图5为具体实施实例中所提出的高阻带抑制度低RCS的透射阵列单元的反射幅度结果；在低于透射阵的工作频带内，高阻带抑制度透射阵列单元作为双极化带通吸收型频率选择表面的地板；在高于透射阵的工作频带内，高频带阻频率选择表面作为双极化带通吸收型频率选择表面的地板，从而实现了低频和高频对入射电磁波的高效吸收，得到了RCS的显著降低。
图6为本发明实施例中在加载双极化带通吸收型频率选择表面与高频带阻频率选择表面前后透射阵列天线的辐射特性对比结果图，可看出透射阵列天线辐射特性保持良好，增益损耗在0.5dB以内。与传统透射阵列天线相比，本发明的结果实现了RCS大幅缩减与高阻带抑制度，同时保持了良好的辐射特性，证明了本发明提出方法的可行性与优越性。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例，对本发明技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
图1为本发明实施例中高阻带抑制度低RCS的透射阵列单元，它由高阻带抑制度透射阵列单元，双极化带通吸收型频率选择表面与高频带阻频率选择表面构成，通过对其合理排布实现高增益、高阻带抑制度的辐射特性与RCS的缩减；
本实施例1中t1厚度为0.25mm，t2与t3的厚度为0.5mm；D1＝3mm，D2＝2mm，D3＝1mm，D4＝7mm；单元整体大小为18mm×18mm；101-2中金属条带的宽度为0.4mm，L1＝4L2；101-3中金属槽的宽度为0.4mm，L3＝3L4。
本实施例2中t1厚度为0.25mm，t2与t3的厚度为0.5mm；D1＝3mm，D2＝2mm，D3＝1mm，D4＝7mm；单元整体大小为16mm×16mm；101-2中金属条带的宽度为0.3mm，L1＝3L2；101-3中金属槽的宽度为0.3mm，L3＝2.5L4。
本实施例3中t1厚度为0.5mm，t2与t3的厚度为0.5mm；D1＝3mm，D2＝2mm，D3＝1mm，D4＝7mm；单元整体大小为14mm×14mm；101-2中金属条带的宽度为0.2mm，L1＝3L2；101-3中金属槽的宽度为0.2mm，L3＝2L4。
图2为本发明实施例中透射阵列天线接受雷达波照射示意图。传统带通透射阵列天线因其在工作频点外对电磁波全反射，因此会产生与等大金属地板相当的雷达散射截面积。本发明中在其接受雷达波一侧为双极化带通吸收型频率选择表面，因此可对RCS进行有效缩减。
图3为本发明实施例中高阻带抑制度透射阵列单元在不加载任何结构时的传输幅度结果，可以看出所采用的透射阵列单元为带通形式，在低于和高于工作中心频点的频率范围内对电磁波呈现反射状态，因此会产生与等大金属地板相当的雷达散射截面积。
图4为本发明实施例1-实施例3中高阻带抑制度低RCS一体化透射阵列单元的传输幅度结果；可以看到其在低频主要由高阻带抑制度透射阵列单元对干扰信号进行抑制；在高频由高阻带抑制度透射阵列单元与高频带阻频率选择表面共同作用，因此产生了很高的阻带抑制度。
图5(a)-(c)为本发明实施例1-实施例3中高阻带抑制度低RCS一体化透射阵列单元的反射幅度结果；在低于透射阵工作频率的频带范围内，高阻带抑制度透射阵列单元作为双极化带通吸收型频率选择表面的地板，两者共同作用对入射电磁波在低频产生吸收；在高于透射阵工作频率的频带范围内，高频带阻频率选择表面作为双极化带通吸收型频率选择表面的地板，两者共同作用对入射电磁波在高频产生吸收；可以看到在透射阵列天线的工作频带外，本发明的结构对入射电磁波产生了高效的超宽带吸收。
图6为本发明实施例1中在加载双极化带通吸收型频率选择表面与高频带阻频率选择表面前后透射阵列天线的辐射特性对比结果图，可看出透射阵列天线辐射特性保持良好，增益损耗在0.5dB以内。与传统带通透射阵列天线相比，本发明的结果实现了RCS大幅缩减，同时保持了良好的辐射特性，并使得阻带抑制度进一步提升，证明了本发明提出方法的可行性与优越性。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (3)

1.一种高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线，包括：馈源喇叭和透射阵列天线，所述馈源喇叭正对透射阵列天线；所述透射阵列天线由多个独立控制单元组成，所述每个独立控制单元包括由上至下设置的：一层双极化带通吸收型频率选择层、两层或两层以上的高频带阻频率选择层、三层或三层以上的高阻带抑制度透射层；
所述双极化带通吸收型频率选择层包括：双极化带通吸收型频率选择表面微带电路和双极化带通吸收型频率选择表面介质基板，其中双极化带通吸收型频率选择表面微带电路包括两个极化方向相反的频率选择表面电路，分别设置于双极化带通吸收型频率选择表面介质基板的上表面和下表面；
所述高频带阻频率选择层包括：高频带阻频率选择表面金属贴片和高频带阻频率选择表面介质基板，其中高频带阻频率选择表面金属贴片设置于高频带阻频率选择表面介质基板的下表面，所述高频带阻频率选择表面金属贴片包括4个小单元，每个小单元包括一大一小两个同心同轴的正方形金属贴片；
所述高阻带抑制度透射层包括：高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片和高阻带抑制度透射阵列单元介质基板，其中高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片覆盖于高阻带抑制度透射阵列单元介质基板的上表面，所述高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片刻蚀有4组镂空部，每组镂空部为一大一小两个同心同轴的正方形；
其特征在于所述高频带阻频率选择表面金属贴片中每个小单元的大正方形金属贴片的边长为5-6毫米，小正方形边长为2-3毫米；所述高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片中每组镂空部的大正方形的边长为6-7毫米，小正方形边长为3-4毫米；
所述高频带阻频率选择层为三层，其中高频带阻频率选择表面金属贴片中每个小单元的大正方形金属贴片的边长6毫米，小正方形边长为3毫米；所述高阻带抑制度透射层为四层，其中高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片中每组镂空部的大正方形的边长为7毫米，小正方形边长为4毫米。
2.如权利要求1所述的一种高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线，其特征在于所述透射阵列天线中各独立控制单元的高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片的大小不同，不同位置的独立控制单元的高阻带抑制度透射阵列单元金属贴片大小根据实现平面波与球面波转换所需补偿相位决定。
3.如权利要求1所述的一种高阻带抑制度低RCS的透射阵列天线，其特征在于所述双极化带通吸收型频率选择表面微带电路上表面包括两条平行的直线电路，下表面包括两条平行的直线电路，上下表面的直线电路方向垂直；上下表面直线电路的中心位置均为并联的平行线电容与弯折线电感，在其两侧各连接一个阻值为150欧的电阻。
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