专利名称：低雷达散射截面的宽带仿生八木天线的制作方法
技术领域：
本发明属于天线技术领域，特别是一种仿生天线，可用于隐身和宽频带的端射接收和发射。
背景技术：
雷达散射截面RCS是雷达探测技术、隐身和反隐身技术中表征目标可识别特性的一个最基本的参数，是目标在平面波照射下在给定方向上返回功率的一种量度。雷达散射截面减缩就是控制和降低军用目标的雷达散射截面，降低敌方电子探测系统和武器平台战斗效力，从而提高军用目标的突防能力和生存能力。如何减缩目标的雷达散射截面，减缩效果如何，对当前面临的复杂电磁环境下战争的胜败意义重大。对于低可见平台，对其总雷达散射截面贡献较大的是平台上的天线。减缩天线单元的雷达散射截面对于减缩大型阵列天
线的雷达散射截面尤为重要。但是由于天线系统自身工作特点，它必须保证自身雷达波的正常接收和发射，因此常规的隐身措施不可以简单地应用在天线隐身中，这就使天线系统隐身成为隐身技术中难以解决的问题。目前国内外还没有找到一种完全理想的途径，既可显著降低天线的雷达散射截面又不影响天线对电磁波的发射和接收，这就使得发明同时满足辐射特性、散射特性要求的天线更加重要。天线是一类特殊的散射体，它的散射通常包括两部分一部分是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场，它是天线接匹配负载时的散射场，其散射机理与普通散射体相同；另一部分则是随天线的负载情况变化的天线模式项散射场，它是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是天线作为一个加载散射体而特有的散射场。在此理论基础上，有一种分析天线散射的模型，利用天线馈电端口的开、短路两种状态下天线的散射场确定天线的结构模式项散射场和天线模式项散射场，解决了两者之间相位关系难以确定的问题。任意负载状态下天线的散射场可以由天线在前面两种状态下得到的散射场计算得到。利用该模型即可求解各种天线的雷达散射截面特性。在雷达探测系统中，要求接收与发射信号的天线阵列具备良好的空气动力学特性的同时，还要更好的与载体共形。端射天线以其独特的方向图特性解决了雷达“盲区”问题。八木天线是一种典型的端射天线。图I给出了一种传统的印刷式八木天线，双层介质材料板最顶层印制有三个宽度均为4. 4毫米长度递减的引向器，宽度为4. 4毫米长度为10. 5毫米的两个辐射单元分别印制在双层介质材料板的最顶层和最底层，矩形反射器印制在双层介质材料板的中间层。该天线虽具有良好的工作频带，但是辐射单元、引向器和反射器使其雷达散射截面增高，不利于天线的隐身。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有天线的缺点，提出一种低雷达散射截面的宽带仿生八木天线，以易于天线的隐身和与载体的共形。本发明的目的是这样实现的
I.技术原理仿生学是研究生物体结构和性质，并为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。生物体的结构是经过长期的自然选择和进化而形成的，不适应环境的生物体将被淘汰。仿生学的任务就是要研究生物体的优异能力及产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。叶片是植物光合作用的重要器官，通过特定的叶片形状与叶序结构植物可以更好地与空间进行物质和能量的交换。因而在一定意义上植物叶片的功能与天线的功能是相似的。所以本发明的技术思路是将对生叶序植物的叶片结构应用到天线的设计中，以改善天线的性能。业内周知，八木天线的辐射单元形状、引向器形状和反射器形状决定该天线的性能。根据仿生学原理，本发明的引向器仿生羽毛状叶片结构，辐射单元采用椭圆形贴片，反射器采用具有齿状结构的矩形贴片，这些有利于降低天线的雷达散射截面和展宽天线的工作频带。2.天线结构本发明的低雷达截面宽带仿生八木天线包括两个辐射单元3、三个引向器2、反射器5、平行带线4和同轴转换接头6，天线的两个辐射单元3分别印制在双层介质材料板I的最顶层和最底层，两个辐射单元3通过平行带线4连接在同轴转换接头6上；三个引向器2印制在双层介质材料板I的最顶层，且其尺寸依次递减；反射器5印制在第一层介质材料板的底层，即双层介质材料板I的中间层，其特征在于两个辐射单元3采用一对椭圆形贴片；三个引向器2仿生三对羽毛状叶片结构；反射器5采用等间距分布的齿状矩形贴片。作为优选，所述的宽带仿生八木天线，其特征在于三对羽毛状叶片结构的三个引向器2，大小依次递减，且距离两个辐射单元3最近的引向器尺寸最大。作为优选，所述的宽带仿生八木天线，其特征在于每对羽毛状叶片结构的引向器，由三个椭圆做逻辑运算生成，即通过将两侧的椭圆分别与中间的椭圆取交集，取两个交集的并集予以保留，并删除多余的椭圆部分，得到一对羽毛状叶片结构的引向器。作为优选，所述的宽带仿生八木天线，其特征在于椭圆形的两个辐射单元3的长轴与短轴之比均为3:1。作为优选，所述的宽带仿生八木天线，其特征在于平行带线4由三对矩形贴片组成，这三对矩形贴片的长度比为30:57:65，宽度比为12:23:35。作为优选，所述的宽带仿生八木天线，其特征在于反射器(5)的齿状结构与反射器的长度比为1:12，宽度比为2:35。本发明具有如下优点本发明由于天线仿生对生叶序植物叶片结构，将两个辐射单元3均设计为椭圆形结构，三个引向器2仿生三对羽毛状叶片结构，并将反射器5设计为等间距分布的齿状矩形贴片，从而有效地减小了两个辐射单元3和三个引向器2和反射器5的表面覆盖面积，使其与现有同种天线相比具有更低的雷达散射截面，便于实现天线隐身；同时两个辐射单元3的椭圆结构，使本发明天线相比普通的天线有着更宽的工作频带；此外通过将天线的三个引向器2和两个辐射单元3印制在双层介质材料板I的表层，将反射器5印制在双层介质·材料板I的中间层，实现了天线的平面化，利于天线与载体共形。
理论计算结果和实测结果表明，本发明天线同时具有宽频带特性和低雷达散射截面特性。本发明天线在垂直于天线表面这一威胁角度上的单站雷达散射截面比现有的天线低，更易于天线的隐身。
图I是传统的印刷式八木天线整体结构图；图2是本发明的天线整体结构图；图3是本发明天线的引向器结构图；图4是本发明天线的辐射单元和平行带线结构图；图5是本发明天线的反射器结构图；
图6是本发明天线和参考天线的回波损耗曲线对比图；图7是本发明天线和参考天线工作在5. 5GHz时E面方向图对比图和H面方向图对比图；图8是本发明天线和参考天线工作在7. 5GHz时E面方向图对比图和H面方向图对比图；图9是本发明天线与参考天线单站雷达散射截面对比图。
具体实施例方式参照图2，本发明主要由双层介质材料板I、三个引向器2、两个辐射单元3、平行带线4、反射器5和同轴转换接头6构成。三个引向器2印制在双层介质材料板I的最顶层，两个辐射单元3分别印制在双层介质材料板I的最顶层和最底层，反射器5印制在双层介质材料板I的两层之间。两个辐射单元3通过平行带线4分别与同轴转换接头6的内芯和外芯焊接在一起。其中三个引向器2的结构如图3所示，两个辐射单元3和平行带线4的结构如图4所示,反射器5的结构如图5所示。参照图3，本发明的每个引向器仿生一对羽毛状叶片结构，每个引向器由三个椭圆生成，三个椭圆位置按图3摆放，分别选取左右两个椭圆与中间椭圆的交集，即两侧椭圆与中间椭圆相重叠的两部分，并选取这两部分的并集，即将所选取的这两部分合并成一个整体并予以保留，删除多余的椭圆部分，便得到一对羽毛状叶片结构的引向器。三对羽毛状叶片21、22、23的大小依次递减，这三对羽毛状叶片分别对应第一引向器、第二引向器和第三引向器，其大小依次递减，且距离两个辐射单元3最近的第一引向器尺寸最大。参照图4，所述两个辐射单元3由椭圆形贴片31和32组成，这两个椭圆形贴片大小相同，且分别印制在双层介质材料版I的最顶层和最底层，其长轴与短轴比均为3 :1，两个辐射单元3通过平行带线4分别与同轴转换接头6的内芯和外芯相连。所述平行带线4由三对矩形贴片41,42和43组成，这三对贴片长度比为30:57:65,宽度比为12:23:35。参照图5，本发明的反射器5采用等间距分布的齿状矩形贴片，各齿状结构相同且分布在反射器5的上边缘,齿状结构数量为15,但不限于15,其中齿状结构51与反射器5的长度比为1:12，宽度比为2:35，反射器5印制在第一层介质材料板的底层，即双层介质材料板I的两层之间，该反射器的长度与双层介质材料板I的宽度相同。根据上述结构本发明给出如下实施例
双层介质材料板I是由两层相对介电常数为2. 65的聚四氟乙烯材料板叠加而成，每层介质材料板长为60毫米，宽为30毫米，厚度为O. 5毫米。三个引向器2仿生三对羽毛状叶片结构，其中生成第一引向器的三个椭圆短轴长度均为4. 6毫米，中间位置的椭圆长轴与短轴比为27:10，位于两侧的椭圆的长轴与短轴比均为16:5 ;生成第二引向器的三个椭圆短轴长度均为4. 2毫米，中间位置的椭圆长轴与短轴比为5:2，位于两侧的椭圆的长轴与短轴比均为3:1 ;生成第三引向器的三个椭圆短轴长度均为4. 4毫米，中间位置的椭圆长轴与短轴比为11:5，位于两侧的椭圆长轴与短轴的比均为27:10。第一引向器与第二引向器之间的距离Dl为8. 5毫米；第二引向器与第三引向器之间的距离D2为8. 2毫米；双层介质材料板I的上边缘与第三引向器的距离D3为8. 3毫米。三个引向器2印制到双层介质材料板I的最顶层，并在铜箔表面图形上形成耐酸性的保护层。两个辐射单元3为两个短轴长度均为4. 4毫米，长轴与短轴比为3 1的椭圆形贴片，两个辐射单元3分别印刷在双层介质材料板I最顶层和最底层，并在铜箔表面图形上形 成耐酸性的保护层。平行带线4由三对矩形贴片构成。其中第一对矩形贴片41长6毫米，宽I. 2毫米；第二对矩形贴片42长11. 4毫米，宽2. 3毫米；第三对矩形贴片43长13毫米，宽3. 5毫米，平行带线4印刷在双层介质材料板I最顶层和最底层，并在铜箔表面图形上形成耐酸性的保护层。反射器5采用等间距分布的齿状矩形贴片，其下边缘与双层介质材料板I的下边缘相距2毫米。齿状结构51长度为2. 5毫米，宽度为I毫米；反射器5长度为30毫米，宽度为17. 5毫米。反射器2印制到第一层材料板的下表面，并在铜箔表面图形上形成耐酸性的保护层。在双层介质材料板I印制完后,用腐蚀剂三氯化铁腐蚀掉表面多余的金属部分，再对其表面进行电镀，最后对整体进行裁剪修整，并将两层介质材料板固定在一起，最后将同轴转接头6焊接到介质材料板I上，将其内芯与上层平行带线焊接，将其外芯与下层平行带线焊接，完成天线制作。本发明的优点可通过以下仿真进一步说明I、仿真内容利用仿真软件对上述天线的回波损耗、远场辐射方向图、和单站雷达散射截面进行仿真计算。2、仿真结果图6为本发明天线和参考天线的回波损耗曲线对比图。通过图6可发现，在辐射单元宽度相同情况下，本发明天线在回波损耗曲线小于-IOdB条件下的工作频带为
4.53GHz 8. 61GHz,比参考天线的工作频带(4. 78GHz 8. 26GHz)展宽了 600MHz。说明本发明天线具有更好的宽带特性。图7为本发明天线和参考天线工作在5. 5GHz时E面方向图对比图和H面方向图对比图，图8为本发明天线和参考天线工作在7. 5GHz时E面方向图对比图和H面方向图对比图。从图7和图8可以看出，天线的最大辐射方向在工作频带内保持稳定。说明本发明天线具有良好的宽带方向图特性。
图9为计算出的本发明天线与传统天线的单站雷达散射截面对比图，从图9中可 看出，本发明天线在2GHz 18GHz的平面波照射下的单站雷达散射截面均小于等于传统天线，说明本发明设计的天线具有比现有天线更优的雷达散射截面，更适合在隐身目标体上使用。
权利要求
1.一种低雷达散射截面的宽带仿生八木天线，包括两个辐射单元(3)、三个引向器(2)、反射器(5)、平行带线(4)和同轴转换接头(6)，两个辐射单元(3)分别印制在双层介质材料板(I)的最顶层和最底层，两个辐射单元(3)通过平行带线(4)连接在同轴转换接头(6)上；三个引向器(2)印制在双层介质材料板(I)的最顶层，且其尺寸依次递减；反射器(5)印制在第一层介质材料板的底层，即双层介质材料板(I)的中间层，其特征在于两个辐射单元(3)采用一对椭圆形贴片；三个引向器(2)仿生三对羽毛状叶片结构；反射器(5)采用等间距分布的齿状矩形贴片。
2.根据权利要求I所述的宽带仿生八木天线，其特征在于三对羽毛状叶片结构的三个引向器(2)，大小依次递减，且距离两个辐射单元(3)最近的引向器尺寸最大。
3.根据权利要求I所述的宽带仿生八木天线，其特征在于每对羽毛状叶片结构的引向器，由三个椭圆做逻辑运算生成，即通过将两侧的椭圆分别与中间的椭圆取交集，取两个交集的并集予以保留，并删除多余的椭圆部分，得到一对羽毛状叶片结构的引向器。
4.根据权利要求I所述的宽带仿生八木天线，其特征在于椭圆形的两个辐射单元(3)的长轴与短轴之比均为3:1。
5.根据权利要求I所述的宽带仿生八木天线，其特征在于平行带线(4)由三对矩形贴片组成，这三对矩形贴片的长度比为30:57:65，宽度比为12:23:35。
6.根据权利要求I所述的宽带仿生八木天线，其特征在于反射器(5)的齿状结构与反射器(5)的长度比为1:12，宽度比为2:35。
全文摘要
本发明公开了一种低雷达散射截面的宽带仿生八木天线，主要解决现有八木天线雷达散射截面高，带宽相对较窄的问题。该天线仿生对生叶序植物叶片结构，包括引向器(2)、辐射单元(3)、平行带线(4)、反射器(5)和同轴转换接头(6)，其中辐射单元(3)采用椭圆形结构，引向器(2)仿生羽毛状叶片结构，反射器(4)为具有齿状结构的矩形贴片。辐射单元(3)印制在双层介质材料板(1)的最顶层和最底层，并通过平行带线(4)分别与同轴转换接头(6)的内外芯相连；引向器(2)印刷在双层介质材料板(1)的最顶层；反射器(4)印刷在双层介质材料板(1)的两层之间。本发明具有频带宽、隐身性能好的优点，可应用于隐身目标载体上。
文档编号H01Q1/38GK102931481SQ201210476490
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者刘 英, 薛金阳, 易浩, 洪涛, 姜文, 王伟 申请人:西安电子科技大学