CN114142235A - 一种宽带低散射圆极化超表面微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,包括:介质板、设置于所述介质板上的金属结构层以及设置于所述介质板远离金属结构层一面的底层金属底板;所述金属结构层包括位于结构中心位置处的圆极化微带天线贴片及围绕于所述圆极化微带天线贴片四周的四个子阵1a、1b、1c、1d,所述子阵1a、1c均由超表面单元按照m×n的方式排布,所述子阵1b、1d均由超表面单元按照n×m的方式排布。根据本发明,具有宽带辐射,圆极化,低散射,低剖面,易于加工的特点,在无线通信、雷达探测、电子对抗等民用和军用领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及天线的技术领域,特别涉及一种宽带低散射圆极化超表面微带天线。
背景技术
宽带、圆极化、低散射技术在无线通信***和隐身平台等民用和军用场景有广泛应用。在无线通信***,圆极化具有抗干扰能力强,抗信道路径衰落等优点,宽频带可以拓宽信道传输容量,低散射可以降低后向散射杂波的影响,提高信号可靠性;在雷达、导弹等隐身平台,宽带圆极化天线抗干扰能力强,可以用于雷达探测、电子对抗等,低散射天线具有低雷达可探测性,能够提高我方武器装备的隐身特性,提高战场生存能力。微带天线具有低剖面、低造价、易共形等优点,在无线通信、导弹战机等方面有诸多应用。但其显著缺点是带宽窄。目前低散射微带天线设计关注于降低天线散射特性,对天线工作带宽性能提高小。不同于传统方法,基于超表面对天线电磁波传播调控和对入射波散射调控特性,提出了一种宽带低散射圆极化微带天线设计方法。
目标的散射特性用雷达散射截面(RCS)衡量。2013年,J.C.I.Galarregui等人提出了基于人工磁导体的棋盘形低RCS结构,通过相位相消原理降低目标后向散射。2016年,Y.Liu等人提出了一种基于鱼骨型极化转换超表面的棋盘型低RCS结构,并将其用于线极化缝隙天线阵列设计。2018年,Q.Liu等人提出了基于宽带极化转换超表面(PCM)的低RCS圆极化微带天线,在7.55-20.74GHz宽带RCS减缩的同时,增强天线的增益。这些超表面天线具有低RCS特性,但如何在降低天线RCS的同时,展宽天线的工作带宽一直是一个难点。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处,本发明的目的是提供一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,具有宽带辐射,圆极化,低散射,低剖面,易于加工的特点,在无线通信、雷达探测、电子对抗等民用和军用领域有广阔的应用前景。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点,提供了一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,包括:
介质板、设置于所述介质板上的金属结构层以及设置于所述介质板远离金属结构层一面的底层金属底板;
所述金属结构层包括位于结构中心位置处的圆极化微带天线贴片及围绕于所述圆极化微带天线贴片四周的四个子阵1a、1b、1c、1d,所述子阵1a、1c均由超表面单元按照m×n的方式排布,所述子阵1b、1d均由超表面单元按照n×m的方式排布。
优选的,所述圆极化微带天线贴片上刻蚀有圆环形缝隙,且所述圆环形缝隙的中心位置坐标为fx,fy,中心位置fx,fy处连接有同轴探针。
优选的,超表面微带天线的厚度h,整体尺寸L×L,圆极化微带天线贴片的尺寸为lx×ly,圆环形缝隙的内外半径分别为r1和r2,四个子阵1a、1b、1c、1d的超表面单元尺寸为a×b,相邻超表面单元间的间距为g。
优选的,所述圆极化微带天线贴片的lx取值范围是[10.01,9.99]mm,ly取值范围是[11.01,10.99]mm,中心位置坐标fx取值范围为[-1.99,-2.01]mm,fy的取值范围为[-2.39,-2.41]mm。
优选的,所述圆环形缝隙的内半径r2为1.6±0.01mm,外半径r2为1.8±0.01mm。
优选的,所述超表面单元的a取值范围为[8.01,7.99]mm,b取值范围是[6.01,5.99]mm,相邻超表面单元的间距g取值范围是[0.51,0.49]mm,排布方式m=6、n=3,超表面微带天线整体尺寸L为[76.51,76.49]mm。
优选的,所述金属结构层与底层金属底板均为厚度17μm的铜,电导率5.8×107s/m。
优选的,所述超表面单元包括其他贴片型人工磁导体、极化转换超表面及电磁带隙结构。
本发明与现有技术相比,其有益效果是:
(1)超表面微带天线解决微带天线同时实现高辐射和低散射的需求,采用单层金属结构、单层介质板,剖面低,便于加工制作。
(2)超表面微带天线具有宽带圆极化,有两个轴比最小的谐振点,在工作频带内和部分带外频段具有低散射特性,对一定入射角范围的电磁波,均具有低散射特性。
(3)通过改变传统圆极化天线结构和超表面结构,适用于其它工作频段。
附图说明
图1为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的三维结构示意图;
图2为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的超表面微带天线上层表面的结构示意图;
图3为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的俯视图;
图4为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的侧视图;
图5为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的S参数曲线图;
图6为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的轴比曲线图;
图7为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的中心频点5.5GHz处xoz面和yoz面方向图;
图8为根据本发明的宽带低散射圆极化超表面微带天线的本专利设计天线和传统天线在x和y极化电磁波垂直入射时的单站RCS图。
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。
参照图1-8,一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,包括:介质板、设置于所述介质板上的金属结构层以及设置于所述介质板远离金属结构层一面的底层金属底板,该天线按照顺序旋转排布的超表面排布方式;所述金属结构层包括位于结构中心位置处的圆极化微带天线贴片3及围绕于所述圆极化微带天线贴片3四周的四个子阵1a、1b、1c、1d,所述子阵1a、1c均由超表面单元2按照m×n的方式排布,所述子阵1b、1d均由超表面单元2按照n×m的方式排布,所述圆极化微带天线贴片3采用正方形切角贴片、矩形贴片圆极化微带天线贴片形式,馈电方式采用缝隙耦合馈电,而且该天线针对不同频段,超表面单元数量m×n采用其它整数,针对不同频段,介质基板和金属结构采用其它材料、厚度和加工工艺。
进一步的,所述圆极化微带天线贴片3上刻蚀有圆环形缝隙4,且所述圆环形缝隙4的中心位置坐标为fx,fy,中心位置fx,fy处连接有同轴探针。
进一步的,超表面微带天线的厚度h,整体尺寸L×L,圆极化微带天线贴片3的尺寸为lx×ly,圆环形缝隙4的内外半径分别为r1和r2,四个子阵1a、1b、1c、1d的超表面单元2尺寸为a×b,相邻超表面单元间的间距为g。
进一步的,所述圆极化微带天线贴片3的lx取值范围是[10.01,9.99]mm,ly取值范围是[11.01,10.99]mm,中心位置坐标fx取值范围为[-1.99,-2.01]mm,fy的取值范围为[-2.39,-2.41]mm。
进一步的,所述圆环形缝隙4的内半径r2为1.6±0.01mm,外半径r2为1.8±0.01mm。
进一步的,所述超表面单元2的a取值范围为[8.01,7.99]mm,b取值范围是[6.01,5.99]mm,相邻超表面单元的间距g取值范围是[0.51,0.49]mm,排布方式m=6、n=3,超表面微带天线整体尺寸L为[76.51,76.49]mm。
进一步的,所述金属结构层与底层金属底板均为厚度17μm的铜,电导率5.8×107s/m。
进一步的,所述超表面单元2包括其他贴片型人工磁导体、极化转换超表面及电磁带隙结构。
由图1所示三维结构示意图,超表面微带天线由三部分组成:超表面和传统微带天线结构1,介质基板2和金属底板3。图2给出了具体的尺寸参数,各个参数的数值如下表1所示。
表1.图2中所示的结构参数如下表(单位:mm)。
变量 | 数值 | 变量 | 数值 |
L | 76.5±0.01 | h | 3±0.01 |
lx | 10±0.01 | ly | 11±0.01 |
r1 | 1.8±0.01 | r2 | 1.6±0.01 |
fx | -2±0.01 | fy | -2.4±0.01 |
a | 8±0.01 | b | 6±0.01 |
p | 8.5±0.01 | h | 3±0.01 |
表中的字母代表图中的几何尺寸参数,在图2中有标示。
L代表超表面微带天线整体边长以及介质基板的边长,lx和ly代表中心传统圆极化微带天线贴片3的尺寸,r1和r2代表贴片3上的圆环形缝隙的外半径和内半径,fx和fy代表圆环形缝隙的圆心处馈电点。a和b代表四周的子阵中的超表面单元的尺寸,p代表超表面单元周期尺寸,h表示相对介电常数为4.5,损耗角正切为0.003的介质基板Arlon 450的厚度。
具体的实施方法为:超表面微带天线由位于结构中心位置处的传统圆极化微带天线矩形贴片和围绕在其四周的按照顺序旋转排布的四个超表面子阵组成。中心位置处的传统圆极化微带天线3包括矩形贴片和圆环形缝隙;超表面包括子阵1a、1b、1c和1c。
超表面四个子阵1a、1b、1c和1c按照结构中心顺序旋转90°排布。其中,子阵1a由m×n个超表面单元按照m行、n列的周期性排布组成,子阵1b由n×m个超表面单元按照n行、m列的周期性排布组成,子阵1c由m×n个超表面单元按照m行、n列的周期性排布组成,子阵1d由n×m个超表面单元按照n行、m列的周期性排布组成。
本专利超表面微带天线工作于C波段,中心频点5.5GHz。选取介质板是Arlon 450板材,厚度h的取值范围是3±0.01mm,材料相对介电常数范围是4.5±0.1,损耗角正切是0.003。中心位置处的矩形金属贴片尺寸lx取值范围是10±0.01mm,ly取值范围是11±0.01mm,馈电点位置fx=-2±0.01mm,fy=-2.4±0.01mm,圆环形缝隙内半径r2=1.6±0.01mm,外半径r2=1.8±0.01mm。超表面单元尺寸a取值范围是8±0.01mm,b取值范围是6±0.01mm,超表面单元周期尺寸p取值范围是8.5±0.01mm,排布方式m=6、n=3。天线整体尺寸L=76.5±0.01mm。
本专利超表面微带天线由两个最小的轴比点,对应两个谐振频点。两个谐振频点由中心矩形贴片和四周的超表面共同产生。在四周加载顺序旋转排布的超表面后,天线的阻抗匹配带宽在高频段展宽,3dB轴比带宽在高频区域展宽;同时,顺序旋转排布的超表面具有减缩RCS效果,实现了天线低散射。
结构的中心旋转对称性,改善了结构对入射电磁波极化和入射角度的敏感性。
用电磁仿真软件CST对超表面微带天线各个结构参数进行仿真优化,结果如图5-8所示。图5~7为本实施方式的宽带低散射圆极化超表面微带天线的S11曲线,轴比曲线,5.5GHz处的xoz面和yoz面辐射方向图曲线。可以看出,本专利的超表面微带天线具有10%相对带宽的圆极化工作带宽(|S11|<-10dB,且轴比<3dB)。
图8为本实施方式的宽带低散射圆极化超表面微带天线在平面波垂直照射情况下的RCS随频率变化曲线。相比未加载超表面的传统天线,本专利的超表面微带天线在x和y极化的入射波有RCS减缩特性。
本实施例提供的方案还可通过改变介质板厚度、中心传统微带贴片的形式和尺寸比例、四周顺序旋转超表面的形式和尺寸比例等以进一步改变超表面微带天线的工作频段,使其满足特定频段的应用需求。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的,对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,包括:
介质板、设置于所述介质板上的金属结构层以及设置于所述介质板远离金属结构层一面的底层金属底板;
所述金属结构层包括位于结构中心位置处的圆极化微带天线贴片(3)及围绕于所述圆极化微带天线贴片(3)四周的四个子阵(1a、1b、1c、1d),所述子阵(1a、1c)均由超表面单元(2)按照m×n的方式排布,所述子阵(1b、1d)均由超表面单元(2)按照n×m的方式排布。
2.如权利要求1所述的一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,所述圆极化微带天线贴片(3)上刻蚀有圆环形缝隙(4),且所述圆环形缝隙(4)的中心位置坐标为(fx,fy),中心位置(fx,fy)处连接有同轴探针。
3.如权利要求2所述的一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,超表面微带天线的厚度h,整体尺寸L×L,圆极化微带天线贴片(3)的尺寸为lx×ly,圆环形缝隙(4)的内外半径分别为r1和r2,四个子阵(1a、1b、1c、1d)的超表面单元(2)尺寸为a×b,相邻超表面单元间的间距为g。
4.如权利要求3所述的一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,所述圆极化微带天线贴片(3)的lx取值范围是[10.01,9.99]mm,ly取值范围是[11.01,10.99]mm,中心位置坐标fx取值范围为[-1.99,-2.01]mm,fy的取值范围为[-2.39,-2.41]mm。
5.如权利要求4所述的一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,所述圆环形缝隙(4)的内半径r2为1.6±0.01mm,外半径r2为1.8±0.01mm。
6.如权利要求5所述的一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,所述超表面单元(2)的a取值范围为[8.01,7.99]mm,b取值范围是[6.01,5.99]mm,相邻超表面单元的间距g取值范围是[0.51,0.49]mm,排布方式m=6、n=3,超表面微带天线整体尺寸L为[76.51,76.49]mm。
7.如权利要求6所述的一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,所述金属结构层与底层金属底板均为厚度17μm的铜,电导率5.8×107s/m。
8.如权利要求7所述的一种宽带低散射圆极化超表面微带天线,其特征在于,所述超表面单元(2)包括其他贴片型人工磁导体、极化转换超表面及电磁带隙结构。
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