专利名称：用于缩减雷达散射截面的阵列天线的制作方法
技术领域：
本发明属于天线技术领域，特别是一种利用结构型吸波材料减缩雷达散射截面的阵列天线，用于实现天线隐身。
背景技术：
在各种飞行器中，天线作为必不可少的组成部分，其雷达散射截面RCS对飞行器整体的RCS贡献较大的问题越发突出。由于天线系统工作特点的限制，它必须保证自身电磁波的正常接收和发射，因此常规的隐身措施不可能简单地在天线隐身中获得应用。如何降低天线的RCS，使天线系统免遭对方的探测和攻击而有效地工作，不仅关系到天线本身的生存，而且影响到其载体的电磁隐身性能，进而影响到天线载体的生存。天线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的散射机理相同；另一部分则是随天线负载情况而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。在天线工作频带内对同极化的威胁雷达波要实现隐身特性，是一件极其困难的任务。此时虽然模式项散射会因为带内的良好匹配而降低，但结构项散射会因为天线的谐振而增加。由于天线的结构项散射与天线结构形式和材料有关，因此可以通过改变外形及加涂覆层等措施来降低天线的散射，同时尽量保持其辐射性能不受影响。要求天线系统只辐射和接收我方雷达波，而不反射和散射对方探测雷达波，是很难解决的一个矛盾。目前国内外的研究，往往是根据实际要求，在一定的时域、空域和频域范围内，尽量缓和这种矛盾。因此，天线系统的隐身途径主要分为以下三个大的方面(1)时域隐身。在雷达不工作时设法将天线隐藏起来，而在雷达开机前将天线恢复到正常工作状态，从而实现分时制的天线系统隐身，但是，在雷达开机时就完全失去了隐身能力。(2)空域隐身。利用斜射式行波天线阵，将天线倾斜放置，从而使其结构模式项散射的峰值移出水平方向，而其最大辐射方向可通过幅相控制仍然保持在水平方向，并通过良好的匹配来减小阵列的天线模式项散射，实现水平方向较为有效的隐身效果。但是，其在水平方向以外区域不能隐身，并且会导致增益损失。(3)频域隐身。通过改变天线外形、采用雷达吸波材料、无源对消技术和有源对消技术实现RCS减缩，其中最常用的和最为有效的是前两种。由于低RCS隐身外形设计的理论基础是高频散射的几何光学近似，因而在高频段其很有效，但在低频段，当天线尺寸与雷达工作波长差不多甚至更小时，改变外形对RCS的影响很小，甚至会增强RCS，而且会在一定程度上恶化天线的辐射性能。对于带外雷达的隐身，目前的研究很多，例如利用一种称为频率选择表面FSS的结构来制作天线罩，将频带内的微波能量辐射透过，而将带外的功率斜向反射，从而达到天线带外RCS减缩的目的，但这类方法常常需要根据实际的外形设计复杂的共形天线罩，并给天线与天线罩之间留出一定距离，因而使天线的体积、重量和成本增大，而且减缩性能会受到安装误差的影响而不稳定，对同频带同极化的威胁雷达波无能为力，使得要在天线工作频带内对相同极化的威胁雷达波实现隐身极其困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种用于缩减雷达散射截面的阵列天线，以减缩阵列天线雷达散射截面，在保证阵列天线的体积不变的情况下，实现对垂直入射的带内和带外同极化雷达波的隐身。实现本发明的目的技术思路是将结构型吸波材料的吸波效果应用于电磁散射领域，实现天线雷达散射截面减缩。其整体阵列天线包括介质板、η个微带辐射单元， 128 ^ η ^ 4、接地板，微带辐射单元位于介质板的上表面，接地板位于介质板的下表面， 其特征在于相邻两个微带辐射单元之间设有结构型吸波材料，该结构型吸波材料阵列由 NXM个方形金属贴片排列成矩形，N^ 3, M^ 3 ；金属贴片形成电感L，相邻金属贴片之间连接电阻，以形成电阻R，相邻金属贴片之间设有缝隙，以形成电容C，该电容C、电感L和电阻R组成RLC谐振电路，通过调整该谐振电路的频率，使其与天线的工作频率重合，实现对垂直入射表面波的吸收。所述的金属贴片采用形状相同的正方形，其宽度W为0.05-0. 5λ，λ是天线的中心工作频率对应的波长，或者采用圆形或十字交叉形或树枝形；金属贴片之间缝隙的宽度 G 为 0.01-0. 06 λ。所述的结构型吸波材料的尺寸为微带辐射单元的1. 5-4倍。所述的电阻的阻值为1-500欧姆。所述的接地板上焊接有SMA头的法兰盘，微带辐射单元上开有贯穿介质板的过孔，SMA头的内芯通过过孔焊接在微带辐射单元上，对阵列天线进行馈电。与现有技术相比，本发明具有如下优点(1)本发明由于微带辐射单元与结构型吸波材料制作于同一表面，且结构型吸波材料由小型金属贴片紧凑排列而成，因而结构简单，易于加工制作，对阵列天线的体积、重量和成本影响不大；(2)本发明由于将阵列天线与结构型吸波材料进行一体化设计，避免了分开设计时出现安装误差而影响其减缩性能，减缩性能稳定；(3)本发明由于结构型吸波材料的吸波频率与阵列天线的工作频率重合，故可实现阵列天线对垂直入射的带内同极化雷达波的隐身。
图1是现有微带贴片阵列天线结构示意图；图2是本发明的结构示意图；图3是本发明与现有的微带贴片阵列天线的RCS比对曲线图；图4是本发明与现有的微带贴片阵列天线的反射系数比对曲线图；图5是本发明与现有的微带贴片阵列天线的E面方向图比对曲线图；图6是本发明与现有的微带贴片阵列天线的H面方向图比对曲线图。
具体实施例方式参照图1，现有工作于5. 7GHz的微带贴片阵列天线包括上下两个表面，其中图 1(a)是上表面结构图，图1(b)为下表面结构图。该阵列天线由介质板1、四个微带辐射单元2和接地板3组成，介质板1采用双面覆铜板，微带辐射单元2位于介质板的上表面，接地板3位于介质板的下表面，接地板3上焊接SMA头的法兰盘，每个微带辐射单元2上开有贯穿介质板1的过孔8，SMA头的内芯通过该过孔焊接在微带辐射单元上，对阵列天线进行馈电。本发明是对图1所示阵列天线进行改进，即将结构型吸波材料用于减小其雷达散射截面，其中图2(a)是本发明的上表面结构，图2(b)为本发明下表面结构图。参照图2，本发明由介质板l，n个微带辐射单元2，128彡η彡4，接地板3，结构型吸波材料阵列4组成。介质板1采用双面覆铜板，微带辐射单元2位于介质板的上表面，接地板3位于介质板的下表面，结构型吸波材料阵列4分布在相邻两个微带辐射单元2之间， 结构型吸波材料4的尺寸为微带辐射单元2的1. 5-4倍。微带辐射单元2沿介质板1的横向中心线排列，结构型吸波材料阵列4沿介质板1的横向中心线均勻排列，分别位于相邻两个微带辐射单元之间。每个结构型吸波材料阵列均由5X3个方形金属贴片5排列成矩形， 但不限于5X 3个方形金属贴片，金属贴片也可采用圆形或十字交叉形或树枝形，金属贴片 5形成电感L，相邻金属贴片5之间设有缝隙6，该缝隙6形成电容C，相邻金属贴片之间连接有电阻7，电阻的阻值为1-500欧姆。该电容C、电感L和电阻R组成RLC谐振电路，通过调整该谐振电路的频率，使其与天线的工作频率重合，实现对垂直入射表面波的吸收，从而达到了天线在带内的电磁隐身。根据上述结构本发明给出如下实施例实施例1介质板1的长度Ll为3 λ，宽度Wl为λ，相对介电常数为4. 4，厚度为0. 06 λ。微带辐射单元2的长度L2为0. 3 λ，宽度W2为0. 2 λ，过孔8的直径D为1. 3mm,相邻两个微带辐射单元的中心间距S为0. 8 λ。方形金属贴片5的长和宽W均为0. 14 λ，相邻金属贴片5间缝隙6的宽度G为0. 02 λ。结构型吸波材料阵列4与微带辐射单元2的相邻边的距离Sl为0. 075 λ，电阻7阻值为150欧姆。微带辐射单元2的个数η = 4，上表面为辐射面，下表面为接地面，上下表面由SMA头相连。通过改变金属贴片5间缝隙6的宽度G可调节电容C，改变金属贴片5的宽度W可改变电感L，连接不同的阻值的电阻可改变电阻R，通过改变RLC调节谐振电路频率，使其与天线的工作频率一致，实现对入射表面波的吸收频率的调谐。实施例2介质板1的长度Ll为6 λ，宽度Wl为λ，相对介电常数为4. 4，厚度为0. 03 λ。微带辐射单元2的长度L2为0. 3 λ，宽度W2为0. 2 λ，过孔8的直径D为1. 3mm,相邻两个微带辐射单元的中心间距S为λ。本实施例为十字交叉金属贴片，其长和宽W均为0.05入， 相邻金属贴片5间缝隙6的宽度G为0. 06 λ。结构型吸波材料阵列4与微带辐射单元2的相邻边的距离Sl为0. 32 λ，电阻7阻值为500欧姆。微带辐射单元2的个数n = 8，上表面为辐射面，下表面为接地面，上下表面由SMA头相连。通过改变金属贴片5间缝隙6的宽度G可调节电容C，改变金属贴片5的宽度W可改变电感L，连接不同的阻值的电阻可改变电阻R，通过改变RLC调节谐振电路频率，使其与天线的工作频率一致，实现对入射表面波的吸收频率的调谐。实施例3介质板1的长度Ll为25 λ，宽度Wl为λ，相对介电常数为4. 4，厚度为0. 02 λ。 微带辐射单元2的长度L2为0. 3 λ，宽度W2为0. 2 λ，过孔8的直径D为1. 3mm,相邻两个微带辐射单元的中心间距S为2 λ。本实施例为圆形金属贴片，其直径W为0. 5 λ，相邻金属贴片5间缝隙6的宽度G为0. 01 λ。结构型吸波材料阵列4与微带辐射单元2的相邻边的距离Sl为0. 15 λ，电阻7阻值为1欧姆。微带辐射单元2的个数η = 128，上表面为辐射面，下表面为接地面，上下表面由SMA头相连。通过改变金属贴片5间缝隙6的宽度G可调节电容C，改变金属贴片5的宽度W可改变电感L，连接不同的阻值的电阻可改变电阻R， 通过改变RLC调节谐振电路频率，使其与天线的工作频率一致，实现对入射表面波的吸收频率的调谐。本发明的效果可通过以下仿真和测试结果进一步说明图3为本发明与现有的微带贴片阵列天线的RCS比对曲线图，入射波垂直照射且与天线极化方式相同。从图3中可以看出，本发明由于结构型吸波材料的吸波频率与天线工作频率重合，因此在5. 7GHz附近，天线的雷达散射截面得到了最大的减缩，并且直至天线工作频带以外的IlGHz高频段，天线的雷达散射截面都得到了有效的减缩，实现了对垂直入射的带内和带外同极化雷达波的隐身。图4为本发明与现有的微带贴片阵列天线反射系数Sll的比对曲线图，其中图 4(a)是仿真结果，图4(b)为测试结果。从图4中可以看出，与现有阵列天线相比，本发明阵列天线的反射系数Sll稍有增加，但是其在-IOdB工作带宽并没有明显变化，测试结果与仿真结果吻合良好。图5为本发明与现有的微带贴片阵列天线的E面方向图比对曲线图，其中图5(a) 是仿真结果，图5(b)为测试结果。从图5中可以看出，与现有阵列天线相比，本发明阵列天线E面方向图并没有明显变化，测试结果与仿真结果吻合良好。图6为本发明与现有的微带贴片阵列天线的H面方向图比对曲线图，其中图6(a) 是仿真结果，图6(b)为测试结果。从图6中可以看出，与现有阵列天线相比，本发明阵列天线的H面方向图并没有明显变化，测试结果与仿真结果吻合良好。以上所述，仅为本发明的优选实例而已，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，任何人可根据本发明的内容进行修改、等同替换和改进等，但这些均仍属本发明涵盖的范围内。
权利要求
1.一种用于缩减雷达散射截面的阵列天线，包括介质板、接地板和η个微带辐射单元，1 ^n^ 4，η个微带辐射单元( 位于介质板(1)的上表面，接地板(；3)位于介质板 (1)的下表面，其特征在于相邻两个微带辐射单元之间设有结构型吸波材料G)，该结构型吸波材料阵列由NXM个方形金属贴片(5)排列成矩形，N彡3，M彡3 ；金属贴片(5)形成电感L，相邻金属贴片之间连接电阻(7)形成电阻R，相邻金属贴片(5)之间设有缝隙(6) 形成电容C，该电容C、电感L和电阻R组成RLC谐振电路，通过调整该谐振电路的频率，使其与天线的工作频率重合，实现对垂直入射表面波的吸收。
2.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线，其特征在于金属贴片 (5)采用形状相同的正方形，其宽度W取值为0.05-0.5λ，λ是天线的中心工作频率对应的波长。
3.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线，其特征在于金属贴片 (5)的形状，进一步采用圆形或十字交叉形或树枝形。
4.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线，其特征在于金属贴片之间缝隙(6)的宽度G为0. 01-0. 06 λ。
5.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线，其特征在于结构型吸波材料的尺寸为微带辐射单元O)的1. 5-4倍。
6.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线，其特征在于电阻(7) 的阻值为1-500欧姆。
7.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线，其特征在于接地板(3) 上焊接有SMA头的法兰盘，微带辐射单元( 上开有贯穿介质板(1)的过孔(8)，SMA头的内芯通过过孔(8)焊接在微带辐射单元上，对阵列天线进行馈电。
全文摘要
本发明公开了一种用于缩减雷达散射截面的阵列天线，主要解决现有微带阵列天线雷达散射截面大的问题。该阵列天线包括介质板、接地板和n个微带辐射单元，n个微带辐射单元(2)位于介质板(1)的上表面，接地板(3)位于介质板(1)的下表面，相邻两个微带辐射单元之间设有结构型吸波材料阵列(4)，由N×M个方形金属贴片(5)排列成矩形；金属贴片(5)形成电感L，相邻金属贴片间连接电阻(7)形成电阻R，相邻金属贴片(5)之间有缝隙(6)形成电容C，该电容C、电感L和电阻R组成RLC谐振电路，调整该谐振电路的频率，使其与天线工作频率重合，实现对垂直入射表面波的吸收。本发明具有减缩天线带内和带外雷达散射截面性能稳定，对天线体积、重量和成本无影响的优点。
文档编号H01Q1/38GK102227040SQ20111005270
公开日2011年10月26日 申请日期2011年3月4日 优先权日2011年3月4日
发明者刘 英, 姜文, 张鹏飞, 徐云学, 王夫蔚, 路宝, 龚书喜, 龚琦 申请人:西安电子科技大学