一种低剖面圆极化隐身相控阵天线的制作方法

1.本发明涉及天线设计领域，具体涉及一种低剖面圆极化隐身相控阵天线。


背景技术：

2.现代战争中，飞行器隐身性能直接决定了它们在战场上的突防能力和战斗能力。目前，我们对飞行器进行隐身设计多针对单站雷达，提升飞机在特定角域的隐身能力，并不要求所有方向上都有非常好的隐身效果，只要让来波信号散射到其他方向而不是原路返回即可。
3.随着外形设计、吸波材料运用和超材料的快速发展，飞行器本身的隐身能力已经得到极大提升，然而，机载平台天线系统本身需要利用电磁波工作，诸如吸波材料涂覆等措施往往不能直接应用于天线的隐身设计，且天线系统装置往往会破坏机载平台外形连续性和光滑性，这使得关于天线隐身特性的研究被单独地提了出来，天线的隐身技术已成为飞行器隐身技术的重要组成部分。
4.微带贴片天线因体积小、剖面低、重量轻、制作简单和易共形等优点，被广泛应用。目前，对微带天线辐射特性的研究已经比较成熟。近年来，由于军事工业的快速发展，越来越多的学者把研究的精力放在了微带天线的散射特性分析上来，以期望得到微带贴片天线更好的隐身设计方法，从而应用到飞行器载体上，提升飞行器的隐身性能。已有多种针对微带贴片天线雷达散射截面(rcs)缩减技术被提了出来，例如：电阻性加载技术，变容二极管加载技术，贴片和覆盖层改进技术，短路探针加载和开槽技术，分形天线技术和人工材料技术等。然而，目前关于微带天线隐身特性的研究基本都是针对天线法向或偏离法向一定角度(≤60
°
)的，鲜有关于雷达波大角度(掠入射)照射天线时的rcs研究。以具有极高隐身要求的第五代战斗机为例，除了被安装于鼻锥方向的探测雷达外，其卫星通信雷达通常位于飞机背部，当战斗机进行突防作战时，飞行器平台与敌方雷达之间的水平距离远大于两者的高度差，使雷达波以大入射角(基本达到略入射)对卫星通信天线进行照射。由此可见，研究和设计雷达波大角度(掠入射)照射下低rcs卫星通信天线具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明针对已有研究技术的缺失和不足，提供了一种低剖面圆极化隐身相控阵天线。通过对微带圆极化单元天线进行巧妙设计，在拓展天线驻波和轴比带宽的同时，使单元天线本身可以等效为具有带通特性的频率选择表面(fss)，能够在k频段以下表现出良好的空间滤波特性，雷达波大角度(掠入射)照射下在k频段以下具有极好的隐身特性。
6.本发明公开了一种低剖面圆极化隐身相控阵天线，所述低剖面圆极化隐身相控阵天线由若干个不同旋转角度的低剖面圆极化隐身单元天线组阵构成；所述低剖面圆极化隐身单元天线包括从下到上依次层叠设置的金属载板、下介质板、半固化片层和上介质板，所述金属载板通过连接器与所述下介质板连接；所述下介质板、所述半固化片层和所述上介质板固定连接；所述下介质板的上面设置非对称u形金属贴片，在所述上介质板的上面设置
矩形金属贴片或回形金属贴片。
7.进一步地，所述上介质板的上面设置回形外金属层，所述回形外金属层的内部设置所述矩形金属贴片或回形金属贴片；所述回形外金属层的内边缘设置金属屏蔽柱，该金属屏蔽柱将回形外金属层导通至金属地板，所述下介质板的下表面为所述金属地板；接地的回形外金属层和所述矩形金属贴片或回形金属贴片构成带通频率选择表面。
8.进一步地，所述矩形金属贴片或回形金属贴片的工作频率为第二驻波谐振点，所述非对称u形金属贴片的工作频率为第一驻波谐振点；所述回形外金属层在低频处产生第三驻波谐振点，所述第一驻波谐振点、所述第二驻波谐振点和所述第三驻波谐振点频率大小相近。
9.进一步地，当半固化片层替换为焊片或者银浆时，所述上介质板和下介质板的连接方式为焊接或者粘接，需要导通所述上介质板和所述下介质板上的金属屏蔽柱且避开所述矩形金属贴片或回形金属贴片投影对应的区域。
10.进一步地，所述半固化片层将所述上介质板和所述下介质板胶接；所述上介质板、所述半固化片层和所述下介质板均贯穿连接有金属屏蔽柱。
11.进一步地，所述下介质板的上表面设置非对称u形金属贴片；所述非对称u形金属贴片包括金属贴片、非对称u形缝隙和金属化通孔；所述金属化通孔设置在所述非对称u形缝隙的内部；将从所述金属化通孔馈入天线的射频信号分离成tm01模和tm10模，且tm01模和tm10模的幅度相等，方向正交，相位相差90
°
。
12.进一步地，所述下介质板的下表面为金属地板，所述金属地板的中心设置金属圆盘，射频信号通过所述金属圆盘之后，经过所述金属化通孔输入至所述非对称u形金属贴片，所述非对称u形金属贴片在第一驻波谐振点辐射电磁波；在第二驻波谐振点驱动所述矩形金属贴片或回形金属贴片辐射电磁波；在低频处第三谐振点驱动接地的所述回形外金属层辐射电磁波。
13.进一步地，所述金属载板的中心设置通孔，所述连接器设置在所述通孔的内部；当所述连接器为毛纽扣连接器时，毛纽扣连接器的弹性端压接在所述金属圆盘上，将射频信号传输给天线；当所述连接器为ssmp或绝缘子时，连接器的探针通过插接或焊接方式穿过所述金属圆盘和所述下介质板，将射频信号传输给天线。
14.进一步地，所述回形外金属层和所述金属地板导通；所述上介质板采用厚度为0.508mm的tsm-ds3板材，所述下介质板采用厚度为0.254mm的tsm-ds3板材，所述半固化片层的厚度为0.1mm，所述低剖面圆极化隐身相控阵天线的厚度小于1mm。
15.进一步地，所述低剖面圆极化隐身相控阵天线由低剖面圆极化隐身单元天线按照0
°
，90
°
，180
°
，270
°
旋转组阵而成。
16.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
17.本发明通过在单层圆极化微带贴片天线的非对称u形金属贴片上方增加普通矩形金属贴片或回形金属贴片，并使上下两层金属贴片工作于相近的两个频率，有效拓展了圆极化单元天线的轴比带宽，此外通过在上介质板上表面增加接地的回形外金属层，该天线可以额外产生一个驻波谐振点，从而拓展了驻波带宽。故本发明所提圆极化天线具有更优的驻波带宽和轴比带宽。
18.相比于单层微带圆极化天线，本发明所提天线仅需在单层天线上面增加极薄的上
介质板即可，仍然具有低剖面特性，整体厚度可保持在1mm以内，可应用于各种共形天线应用场景，适用范围广。
19.本发明通过巧妙的设计，在非对称u形金属贴片和上表面普通矩形金属贴片或回形金属贴片周围增加接地的回形外金属层，并经过优化设计，不但不会降低天线本身的辐射性能，反而在提升天线驻波和轴比带宽性能的同时，使单元天线具有良好的fss结构特性。所述相控阵天线接地的回形外金属层和内部的矩形金属贴片或回形金属贴片构成了带通fss，可以在空间某较窄频段实现电磁波传输，其它频段都表现出稳定的带阻特性，故当其它频段电磁波照射到该fss结构表面时，可以等效为将电磁波全部反射的理想电导体(pec)，对于雷达波大角度(掠入射)照射下，来波信号都被天线上表面散射到其他方向而不是原路返回，由此保证该相控阵天线具有极低的单站rcs。
20.本发明所提相控阵天线馈电连接方式灵活，可以用毛纽扣连接器压接，绝缘子，smp和ssmp等连接器盲插或者焊接，亦可以改为带状线或微带线直接馈电。
21.本发明所提相控阵天线具有更优的驻波带宽，轴比带宽，应用于隐身场景时，无需额外设计结构复杂且易使天线辐射性能恶化的频选天线罩，仍然可使天线具有极低的单站rcs，具有结构简单紧凑，剖面低，易于设计，方便生产加工的优势，也实现了整体结构的轻量化，方便机载隐身平台应用。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线示意图；
24.图2是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身单元天线爆炸图；
25.图3是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身单元天线非对称u形贴片示意图；
26.图4是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身单元天线下表层金属示意图；
27.图5是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线上表层金属示意图；
28.图6是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线中间层金属示意图；
29.图7是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线下表层金属示意图；
30.图8是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身单元天线反射系数仿真结果；
31.图9是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身单元天线轴比仿真结果；
32.图10是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身单元天线方向图仿真结果；
33.图11是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线扫描方向图(旋转角0
°
)仿真结果；
34.图12是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线扫描方向图(旋转角90
°
)仿真结果；
35.图13是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身单元天线反射和传输系数仿真结果；
36.图14是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线单站rcs仿真模型示意图；
37.图15是本发明实施例的一种低剖面圆极化隐身相控阵天线单站rcs仿真结果。
38.附图标记：上介质板1，半固化片层2，下介质板3，金属载板4，金属屏蔽柱5，毛纽扣连接器6，回形金属贴片11，回形外金属层12，非对称u形金属贴片31，金属贴片311，非对称u形缝隙312，金属化通孔313，金属地板321，金属圆盘322。
具体实施方式
39.结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
40.实施例1
41.参见图1至图7，本发明公开了一种低剖面圆极化隐身相控阵天线，低剖面圆极化隐身相控阵天线由若干个不同旋转角度的低剖面圆极化隐身单元天线组阵构成；低剖面圆极化隐身单元天线包括从下到上依次层叠设置的金属载板4、下介质板3、半固化片层2和上介质板1，金属载板4通过连接器与下介质板3连接；下介质板3、半固化片层2和上介质板1固定连接；下介质板3的上面设置非对称u形金属贴片31，在上介质板1的上面设置矩形金属贴片或回形金属贴片11。
42.其中，非对称u形金属贴片31的外侧可以有回形外金属层，亦可以为裸露的介质。回形金属贴片11也可以是多个“回”形金属贴片相互嵌套构成的金属贴片。上介质板3的下表面可以有“回”形外金属层，亦可以为裸露的介质。
43.本实施例中，上介质板1的上面设置回形外金属层12，回形外金属层12的内部设置矩形金属贴片或回形金属贴片11；该矩形金属贴片或回形金属贴片11充当低剖面圆极化隐身单元天线的上辐射贴片。回形外金属层12内边缘设置金属屏蔽柱5，该金属屏蔽柱5将回形外金属层12导通至下金属地板321，接地的回形外金属层12和所述矩形金属贴片或回形金属贴片11构成带通fss。
44.本实施例中，矩形金属贴片或回形金属贴片11的工作频率为第二驻波谐振点，非对称u形金属贴片31的工作频率为第一驻波谐振点；回形外金属层12在低频处产生第三驻波谐振点，第一驻波谐振点、第二驻波谐振点和第三驻波谐振点频率大小相近。三个驻波谐振点都位于工作带宽之内，且相近两谐振点差值小于1.2ghz。
45.本实施例中，当半固化片层2替换为焊片或者银浆时，上介质板1和下介质板3的连接方式为焊接或者粘接，需要导通上介质板1和下介质板3上的金属屏蔽柱5且避开矩形金属贴片或回形金属贴片11投影对应的区域。上下介质板可选用厚度较薄的介质材料，从而保证天线的低剖面特性。通过在上介质板上表面增加接地的回形外金属层，该天线可以额外产生一个驻波谐振点f0(参见图8)，从而有效拓展了驻波带宽。
46.本实施例中，半固化片层2将上介质板1和下介质板3胶接；上介质板1、半固化片层2和下介质板3均贯穿连接有金属屏蔽柱5。
47.本实施例中，下介质板3的上表面设置非对称u形金属贴片31；非对称u形金属贴片31包括金属贴片311、非对称u形缝隙312和金属化通孔313；金属化通孔313设置在非对称u形缝隙312的内部；将从金属化通孔313馈入天线的射频信号分离成tm01模和tm10模，且tm01模和tm10模的幅度相等，方向正交，相位相差90
°
，从而使天线辐射左旋圆极化波或右
旋圆极化波，该非对称u形金属贴片31亦可退化为对称u形金属贴片，此时该天线辐射线极化波。
48.本实施例中，下介质板3的下表面为金属地板321，金属地板321的中心设置金属圆盘322，射频信号通过金属圆盘322之后，经过金属化通孔313输入至非对称u形金属贴片31，非对称u形金属贴片31在第一驻波谐振点(频率f1，参见图8)辐射电磁波；在第二驻波谐振点(频率f2，参见图8)驱动矩形金属贴片或回形金属贴片11辐射电磁波；在低频处第三谐振点(频率f0，参见图8)驱动接地的回形外金属层12辐射电磁波。
49.本实施例中，金属载板4的中心设置通孔，连接器设置在通孔的内部；当连接器为毛纽扣连接器6时，毛纽扣连接器6的弹性端压接在金属圆盘322上，将射频信号传输给天线；当连接器为ssmp或绝缘子时，连接器的探针通过插接或焊接方式穿过金属圆盘322和下介质板3，将射频信号传输给天线。
50.本实施例中，回形外金属层12和金属地板321导通；上介质板1采用厚度为0.508mm的tsm-ds3板材，下介质板3采用厚度为0.254mm的tsm-ds3板材，半固化片层2的厚度为0.1mm，低剖面圆极化隐身相控阵天线的厚度小于1mm，从而保证了天线的低剖面特性。
51.本实施例中，低剖面圆极化隐身相控阵天线由低剖面圆极化隐身单元天线按照0
°
，90
°
，180
°
，270
°
旋转组阵而成。通过对单元天线的旋转组阵，有效改善了相控阵天线波束扫描时的轴比。
52.通过在单层圆极化微带贴片天线的非对称u形金属贴片31上表面增加回形金属贴片11，并使回形金属贴片11工作于频率f2，非对称u形金属贴片31工作于频率f1，在产生两个驻波谐振点的同时，有效拓展了圆极化单元天线的轴比带宽。其中，频率f1和频率f2相近，两者之间的差值大致为1ghz。图9给出了本发明的低剖面圆极化隐身单元天线轴比仿真结果，可以看到该天线轴比存在两个频率相近的工作点，一个位于29.65ghz附近，另一个位于30.8ghz附近，且在29.2ghz～31.2ghz轴比小于3db。此外，再通过在上介质板1上表面增加接地的回形外金属层12，在低频额外产生一个驻波谐振点f0，从而进一步拓展了驻波带宽。图8给出了本发明的低剖面圆极化隐身单元天线反射系数仿真结果，可以看到该天线在28.75ghz～31.45ghz的反射系数＜-10db。图10为本发明的低剖面圆极化隐身单元天线30.2ghz的旋转角0
°
，90
°
方向图仿真结果，由仿真结果可知，该天线的极化方式为左旋圆极化。
53.图11和图12分别为低剖面圆极化隐身相控阵天线30.2ghz，旋转角0
°
，90
°
扫描方向图仿真结果，由仿真结果可知，该低剖面圆极化相控阵天线法向增益为22.8dbi，可在离轴角
±
60
°
范围内实现方向图扫描，且扫描下降小于5db。
54.根据fss结构特性，所述相控阵天线接地的回形外金属层12和内部的回形金属贴片11构成了带通fss，可以在空间某较窄频段实现电磁波传输，而其它频段都表现出稳定的带阻特性，故当其它频段电磁波照射到该fss结构表面时，可以等效为将电磁波全部反射的pec，当雷达波大角度(掠入射)照射天线上表面时，来波信号都被散射到其他方向而不是原路返回，由此保证该相控阵天线具有极低的单站rcs。
55.对本发明的低剖面圆极化隐身单元天线设置周期边界条件，通过仿真空间电磁波入射天线时的反射和传输系数，评估该天线的空间滤波和传输特性。图13是本发明的低剖面圆极化隐身单元天线反射和传输系数仿真结果，由图中反射系数仿真结果可以看到该天
线在29ghz～32ghz具有良好的电磁波传输特性，此时雷达波照射天线时可以被天线高效率的接收；由图中传输系统仿真结果可以看到，当雷达波频率低于25ghz时，该天线上表面表现出了极好的空间滤波特性，带外抑制大于44db，且该天线在远程预警雷达常用的l和x频段带外抑制超过了50db。故当其它频段电磁波照射到该fss结构表面时，可以等效为将电磁波全部反射的pec，对于雷达波大角度(掠入射)照射下，来波信号都被散射到其他方向而不是原路返回，由此保证该相控阵天线具有极低的单站rcs。
56.为了评估本发明的低剖面圆极化隐身相控阵天线的隐身性能，通过设计低rcs载体，并将本发明的低剖面圆极化隐身相控阵天线放置在低rcs载体内，利用feko仿真雷达波以旋转角0
°
，离轴角80
°
照射天线时的不同频率的vv极化单站rcs，并用相近尺寸参考相控阵天线的vv极化单站rcs仿真结果进行对比。图14是本发明的低剖面圆极化隐身相控阵天线单站rcs仿真模型示意图。图15是本发明的低剖面圆极化隐身相控阵天线单站rcs仿真结果，可以看到相比于参考天线，本发明所提低剖面圆极化隐身相控阵天线在1～20ghz的vv极化单站rcs明显优于参考天线。
57.实施例2
58.本实施例提供的低剖面圆极化隐身相控阵天线可以参照图1～图7。与实施例1不同之处在于低剖面圆极化隐身天线不包含半固化片层2，且上介质板1下表面和下介质板3上表面都存在与回形外金属层12相同的金属图案。金属载板4中心通孔内装有ssmp连接器，ssmp连接器的探针盲插入通孔313中，实现对天线的有效馈电。上介质板1和下介质板3直接通过焊片高温焊接在一起。
59.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。