集总元件加载与天线修形技术结合的机载低RCS全向天线

本发明属于通信，更进一步涉及电磁场与微波中的一种集总元件加载与天线修形技术结合的机载低雷达散射截面rcs(radar cross section)全向天线。所谓rcs，是表征散射体在电磁波照射下产生的回波强度的物理量，是衡量散射体向某一方向散射电磁波能力的度量，天线rcs越小，飞机综合隐身性能越好，因此本发明可用于飞机隐身性能的应用需求。

背景技术：

1、当前天线rcs减缩技术主要分为三大类，分别为电子元件加载技术、天线修形技术、基于超材料的天线技术。电子元件加载技术可降低天线工作频带外rcs，而对带内rcs则基本没有减缩效果，此外该方法还易引起天线辐射性能的恶化。天线修形技术在维持天线辐射性能的前提下，通过减少天线的金属面积，一定程度上实现天线rcs减缩，但对天线带外rcs缩减基本没有贡献。超材料技术通过加载超材料结构，可以有效减缩天线rcs，然而这种技术的局限性是通常需要天线加载额外的周期单元结构，这不仅增加了天线的整体结构尺寸，并且对于机载天线平台、重量以及复杂结构所带来的可靠性问题都限制了目前超材料在机载天线研制用的应用。

2、刘凡在其发表的论文“机载全向通信天线的辐射与散射平衡设计研究”(电子科技大学硕士论文，2022年)中提到的一款新型超宽带机载全向通信天线，并在设计初期为其隐身性能考虑，采用内埋化和小型化设计。天线采用在机体表面挖腔内埋的安装方式，并综合使用一系列的小型化和宽带化手段缩小了天线的尺寸，并且展宽了天线的阻抗带宽。该发明虽然具有散射性能的优越性，但是，该天线仍然存在的不足之处是，其未对天线辐射和散射进行平衡设计，造成rcs恶化。

3、中国电子科技集团公司第二十研究所在其申请的专利文献“一种机载共形低rcs天线罩”(申请号：202111124908.x，申请公布号：cn 113922080a)中提出了一种采用超材料共形天线罩来实现低rcs性能的天线。该天线将涂覆了吸波材料的共形透波介质基材覆盖在共形铝合金框架上，共形铝合金框架的低台面上涂抹环氧胶，将共形透波介质基材和共形铝合金框架粘接起来，共形透波介质基材的边缘倒斜角和共形铝合金框架台阶倒斜角组成v形槽，v形槽内填充抗撕裂硅橡胶，由此形成共形低rcs天线。该天线使不连续处产生的散射波被吸波材料吸收来实现低rcs目的。该发明采用超材料技术，虽然降低了天线的rcs，但是，该天线仍然存在的不足之处是，天线罩采用的堆叠材料结构，增加了天线的整体结构尺寸和重量。

4、综上，首先上述减缩技术通常都是在天线辐射性能设计完成后再进行rcs减缩设计，而并不是从初始进行并行一体化设计，因此经常会陷入天线辐射性能与rcs性能设计之间的矛盾平衡中；其次上述单一rcs减缩技术难以满足宽频带内天线rcs减缩要求；最后天线设计与天线罩设计通常分开进行，这就有可能使得由于天线与天线罩特性失配，造成最终天线rcs恶化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种集总元件加载与天线修形技术结合的机载低rcs全向天线。用于解决常规刀型或盘锥机载天线结构尺寸大、rcs高以及天线与天线罩分开设计的问题。

2、实现本发明目的的技术思路是：由于本发明的辐射振子设计了一种t形的振子分支，该振子分支将电流分流为水平与垂直两部分，水平部分主要反射水平极化波，而对垂直极化波散射极低，而垂直部分正好相反，因此当雷达来波为垂直极化或水平极化波时，只有其中一部分会有效散射，而另一部分则散射极低，在该种状况下，天线只有部分物理结构参与散射，规避了当前常规刀型或盘锥机载天线物理面积大带来的天线的rcs高的问题。由于本发明设计了一种“衣形”的前后对称的平板介质复合结构rcs天线罩，从结构和材料两方面进行设计，从材料方面，众所周知电磁波在空间传播时，在波阻抗发生突变的地方会产生反射与投射，天线罩的设计就是天线与空间实现匹配的“桥梁”，从辐射角度来说，经过理论分析天线辐射电阻约为35ω，自由空间波阻抗为377ω，因此设计并选择合适相对介电常数天线罩，可以降低天线罩的反射，有利于提高天线辐射能力，从散射角度，合理介电常数的天线罩有利于降低天线罩自身散射，从而降低天线罩所带来的rcs性能劣化问题。本发明中经过分析，采用相对介电常数2.7的介质材料用于天线罩设计；从结构方面而言，天线罩在保护天线结构的同时，不同结构设计其rcs性能也不同，因此需要对天线罩进行结构优化，整个天线与天线罩固定在法兰上形成一个整体的结构，克服了现有技术先设计天线再设计天线罩导致失配弊端。由于本发明在天线罩的厚度为2.5mm，其中心区域刻蚀有矩形通孔，可使雷达来波顺利通过该区域，克服了雷达来波不能顺利通过天线罩的问题。由于本发明主要考虑飞机的前向散射，即来波沿-x轴±30°夹角范围内情况下的rcs水平，当来波在该角度范围内时，天线rcs性能主要由其垂直结果所决定，本发明在天线罩的正反面设计有矩形金属贴片，可以将照射到其附近区域不同极化来波的电场e方向扭转至沿y轴方向，即变为水平极化，由于水平极化波的电场e与天线垂直结构相互正交，克服了雷达来波不能与天线垂直结构相互正交的问题。本发明采用集总元件加载与天线修形技术相结合，并且在天线设计中贯彻一体化设计思想，在结构设计方面采用天线与天线罩一体化设计思路，在性能设计方面采用辐射性能与rcs性能并行设计的方法。为了实现上述目的，本发明的机载低rcs全向天线包括辐射振子、天线罩、法兰，所述辐射振子是由t形的振子分支、在t形的振子分支左右两侧对称设置的阶梯形的修形缺陷地、以及长方形的集总加载元件、同轴馈电端口组成的“树形”结构，所述天线罩是由前后对称的矩形平板，并在其左右两侧削去两个对称“l形”板组成的“衣形”平板复合结构，其中心区域刻蚀有矩形通孔，位于矩形通孔底部区域附近，在天线罩的正反面分别设计了两个对称的矩形金属贴片；辐射振子嵌入到天线罩内，整个天线与天线罩固定在法兰上。

3、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

4、第一，由于本发明的辐射振子设计了一种t形的振子分支，该振子分支将电流分流为水平与垂直两部分，规避了当前常规刀型或盘锥机载天线物理面积大带来的天线的rcs高的问题，使得本发明有效降低了天线的rcs，从而能够更好的平衡天线辐射性能与rcs散射性能。

5、第二，由于本发明设计了一种“衣形”的前后对称的平板介质复合结构rcs天线罩，整个天线与天线罩固定在法兰上形成一个整体的结构，克服了现有技术先设计天线再设计天线罩导致失配弊端，使本发明有效避免天线rcs恶化。

6、第三，由于本发明在天线罩的中心区域刻蚀有矩形通孔，克服了雷达来波不能顺利通过天线罩的问题，使本发明降低了天线整体rcs水平。

7、第四，由于本发明主要考虑飞机的前向散射，即来波沿-x轴±30°夹角范围内情况下的rcs水平，当来波在该角度范围内时，天线rcs性能主要由其垂直结果所决定，本发明在天线罩的正反面设计有矩形金属贴片，可以将照射到其附近区域不同极化来波的电场e方向扭转至沿y轴方向，即变为水平极化，由于水平极化波的电场e与天线垂直结构相互正交，克服了雷达来波不能与天线垂直结构相互正交的问题，使本发明天线rcs有效降低。