本實(shí)用新型屬于電磁防護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種單極子天線的錐形能量選擇天線罩及天線系統(tǒng)。主要用于單極子天線在強(qiáng)電磁脈沖輻照時(shí)系統(tǒng)前端的屏蔽防護(hù)，以及正常來(lái)波情況下單站雷達(dá)散射截面積(RCS)縮減。
背景技術(shù)：
：電磁脈沖武器與高功率微波武器攻擊速度快，范圍廣，兼具軟硬殺傷能力，目前，高功率脈沖功率驅(qū)動(dòng)源技術(shù)、高功率微波產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸與控制技術(shù)以及高功率微波效應(yīng)機(jī)理等基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，強(qiáng)電磁武器走向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用。強(qiáng)電磁輻射對(duì)電子設(shè)備危害極大，電磁波通過(guò)天線將能量耦合進(jìn)入到系統(tǒng)前端，通過(guò)擊穿效應(yīng)與熱效應(yīng)破壞電子設(shè)備。另外，天線的RCS縮減一直是目標(biāo)隱身的難點(diǎn)問(wèn)題，需要通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到減小天線RCS的目的。能量選擇表面通過(guò)半導(dǎo)體陣列結(jié)合金屬周期單元構(gòu)建的壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其表面阻抗隨入射電磁場(chǎng)強(qiáng)度不同而發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而具備能量選擇特性，能有效兼顧設(shè)備正常使用以及強(qiáng)場(chǎng)防護(hù)。文獻(xiàn)[1]分析了針對(duì)強(qiáng)電磁脈沖武器的能量選擇防護(hù)罩，當(dāng)電磁波的能量低于安全閾值的時(shí)候能夠無(wú)損或低損地進(jìn)入射頻系統(tǒng)前端，超過(guò)安全閾值的時(shí)候能量則會(huì)被反射。單極天線形式簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于武器裝備上，包括一些飛行器上，而其RCS一直是飛行設(shè)備隱身的難點(diǎn)問(wèn)題，而且考慮到許多飛行器(如：機(jī)載雷達(dá)，導(dǎo)彈)上面的天線罩設(shè)計(jì)要滿足空氣動(dòng)力學(xué)的要求，因此，不能采用平面或者是球形的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了鼻錐結(jié)構(gòu)的天線罩，并對(duì)單極子天線加載錐形天線罩前后的單站RCS進(jìn)行了對(duì)比?，F(xiàn)有的能量選擇表面相關(guān)研究集中于貼片加載有源器件平面周期結(jié)構(gòu)，不符合空氣動(dòng)力學(xué)，不適用于飛行器上使用，頻帶一般限制在2GHz以下，其二極管加載方式不能應(yīng)用于非平面結(jié)構(gòu)的天線罩形式。而關(guān)于錐形天線罩的研究并未涉及電磁防護(hù)功能，也未對(duì)天線罩上進(jìn)行有源加載進(jìn)行研究，功能單一。相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)如下：[1]YangC,LiuPG,HuangXJ.AnovelmethodofenergyselectivesurfaceforadaptiveHPM/EMPprotection[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters.2013(12):112-115.[2]LinBQ,ZhengQR,etal.DesignandSimulationofaMiniatureThick-ScreenFrequencySelectiveSurfaceRadome[J].IEEEAntenna&WirelessPropagationLetters,2009,8(4):1065-1068.技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種錐形能量選擇防護(hù)罩針對(duì)單極子天線這種應(yīng)用廣泛的天線形式，既能實(shí)現(xiàn)能量敏感自適應(yīng)開(kāi)關(guān)特性達(dá)到強(qiáng)場(chǎng)防護(hù)的目的，又能有效地減小天線的單站RCS，實(shí)現(xiàn)功能的復(fù)合。具體技術(shù)方案如下：一種單極子天線的錐形能量選擇天線罩，包括介質(zhì)基板、金屬層和半導(dǎo)體器件，所述介質(zhì)基板的形狀為空心的圓錐體狀，所述金屬層覆蓋在介質(zhì)基板上，所述金屬層上鏤空若干個(gè)圓環(huán)縫隙，在每個(gè)圓環(huán)縫隙上等間隔設(shè)置4個(gè)半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件連接圓環(huán)縫隙內(nèi)外的金屬層。進(jìn)一步地，所述圓環(huán)縫隙在圓錐體表面上呈準(zhǔn)周期排列，圓環(huán)縫隙在圓錐體表面上緊密排列且相互之間不重疊交叉。進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體器件為二極管。進(jìn)一步地，所述介質(zhì)基板展開(kāi)后為300°扇面，由5個(gè)完全相同的60°扇面組合構(gòu)成；在每個(gè)扇面上，圓環(huán)縫隙的排列布局為：從扇面頂部開(kāi)始分層排列，按照每層逐漸增加1個(gè)圓環(huán)縫隙的方式，直至底層圓環(huán)縫隙排列到扇面底部。進(jìn)一步地，所述每個(gè)圓環(huán)縫隙上的4個(gè)半導(dǎo)體器件，其中兩個(gè)半導(dǎo)體器件對(duì)稱設(shè)置過(guò)圓環(huán)縫隙圓心且平行于60°扇面外沿的弧線上，另外兩個(gè)半導(dǎo)體器件對(duì)稱設(shè)置以扇面頂點(diǎn)為圓心的射線上。本實(shí)用新型還提供了一種單極子天線系統(tǒng)，包括上述單極子天線的錐形能量選擇天線罩，及設(shè)置在錐形能量選擇防護(hù)罩內(nèi)部的單極子天線；所述單極子天線置于錐形天線罩內(nèi)部，天線罩錐體底面與單極子天線接地面貼合，所述貼合的方式為粘接或焊接。采用本實(shí)用新型獲得的有益效果：本實(shí)用新型同時(shí)解決了單極子天線系統(tǒng)的強(qiáng)電磁場(chǎng)防護(hù)以及單站RCS縮減問(wèn)題，相對(duì)于傳統(tǒng)的天線罩，功能更為全面。天線罩不影響正常信號(hào)通過(guò)，而對(duì)工作頻帶內(nèi)的強(qiáng)場(chǎng)輻射產(chǎn)生大于15dB的衰減。同時(shí)，對(duì)天線工作頻帶外的雷達(dá)散射截面積縮減達(dá)到10dB。此外，錐形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得單極子天線能有效應(yīng)用于飛行器上。附圖說(shuō)明圖1為本實(shí)用新型天線罩結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型天線罩的圓錐體展開(kāi)后結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圓環(huán)縫隙與金屬層的局部結(jié)構(gòu)圖，(a)為正視圖、(b)為側(cè)視圖；圖4為本實(shí)用新型天線罩展開(kāi)后60°扇面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實(shí)施例中模擬軟件生成的仿真圖及局部放大圖，(a)為正視圖、(b)為俯視圖；圖6為單極子天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型天線系統(tǒng)的模擬仿真圖及局部放大圖；圖8為單極子天線反射系數(shù)S11圖；圖9為單極子天線方向圖，(a)為方位角Φ＝0°，(b)為俯仰角θ＝60°圖10為圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)S21角度掃描圖，(a)為傳輸模式，(b)為防護(hù)模式；圖11為傳輸模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對(duì)比圖；圖12為傳輸模式下單極子天線加罩前后方向圖對(duì)比圖，(a)為方位角Φ＝0°、(b)為俯仰角θ＝60°；圖13防護(hù)模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對(duì)比；圖14防護(hù)模式下單極子天線加罩前后方向圖對(duì)比；(a)為方位角Φ＝0°、(b)為俯仰角θ＝60°；圖15為單站雷達(dá)散射截面積RCS仿真示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示為本實(shí)用新型天線罩結(jié)構(gòu)示意圖；一種單極子天線的錐形能量選擇天線罩，包括介質(zhì)基板1、金屬層2和半導(dǎo)體器件3，所述介質(zhì)基板的形狀為空心的圓錐體狀，所述金屬層覆蓋在介質(zhì)基板上，所述金屬層上鏤空若干個(gè)圓環(huán)縫隙4，在每個(gè)圓環(huán)縫隙上等間隔設(shè)置4個(gè)半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件連接圓環(huán)縫隙內(nèi)外的金屬層。所述圓環(huán)縫隙在圓錐體表面上呈準(zhǔn)周期排列。如圖2為本實(shí)用新型單極子天線的錐形能量選擇天線罩的圓錐體展開(kāi)后結(jié)構(gòu)示意圖；圓錐體上排布嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)陣列是非常困難的，因此，實(shí)施例中設(shè)計(jì)了共形準(zhǔn)周期能量選擇表面。如圖3所示，實(shí)施例中的圓錐體上圓環(huán)縫隙的尺寸如表1所示，半導(dǎo)體器件為二極管，介質(zhì)基板采用輕質(zhì)高強(qiáng)度泡沫材料PMI(聚甲基丙烯酰亞胺)。表1縫隙圓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)物理含義參數(shù)取值(單位：mm)單元周期d329外圓直徑d128內(nèi)圓直徑d226.4金屬厚度t0.035介質(zhì)基板厚度n1每個(gè)單元結(jié)構(gòu)由一層介質(zhì)基板、一個(gè)圓環(huán)縫隙及四個(gè)PIN二極管(BAP6302)構(gòu)成，上下左右均對(duì)稱，對(duì)應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)列在表1，其中，縫的參數(shù)由二極管的封裝確定。由于要進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，故采用柔性印刷電路(FPC)作為介質(zhì)基板，其造成的損耗可以忽略。為滿足強(qiáng)度需求，需加覆一層相對(duì)介電常數(shù)接近于1的BMI泡沫層。本實(shí)用新型實(shí)施例中，所述介質(zhì)基板展開(kāi)后為300°扇面，由5個(gè)完全相同的60°扇面組合構(gòu)成；如圖4所示，在每個(gè)扇面上，圓環(huán)縫隙的排列方法為：從扇面頂部開(kāi)始分層排列，按照每層逐漸增加1個(gè)圓環(huán)縫隙的方式，直至底層圓環(huán)縫隙排列到扇面底部。從圖4中可以看到，位于同一層的所有圓環(huán)縫隙圓心，排列在以扇面頂為圓心的同一條弧線上，且圓環(huán)縫隙圓心到扇面頂?shù)木嚯xb與過(guò)圓環(huán)縫隙圓心的弧長(zhǎng)a滿足條件，b:a＝3:π，圖4中給出了第2種情況同樣滿足b2:a2＝3:π。所述每個(gè)圓環(huán)縫隙上的4個(gè)半導(dǎo)體器件，其中兩個(gè)半導(dǎo)體器件對(duì)稱設(shè)置過(guò)圓環(huán)縫隙圓心且平行于60°扇面外沿的弧線上，另外兩個(gè)半導(dǎo)體器件對(duì)稱設(shè)置以扇面頂點(diǎn)為圓心的射線上。實(shí)施例中，也可以將其中兩個(gè)半導(dǎo)體器件對(duì)稱設(shè)置過(guò)圓環(huán)縫隙圓心且平行于60°扇面外沿的弧線上，另外兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置在扇面的角平分線上或過(guò)圓環(huán)縫隙圓心且平行于角平分線的直線上，使得來(lái)波的能在其兩端產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，易于導(dǎo)通。圖4中扇面的個(gè)數(shù)決定了錐體的傾斜角度，當(dāng)傾斜角度大于45°時(shí)，強(qiáng)場(chǎng)在半導(dǎo)體器件上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓過(guò)低，導(dǎo)致二極管難以導(dǎo)通，當(dāng)傾斜角度小于30°時(shí)，工作頻帶外的探測(cè)信號(hào)相當(dāng)一部分能量將被反射回入射方向，導(dǎo)致單站RCS增加。因此，選取五份圖4中扇面構(gòu)建錐形防護(hù)罩，傾斜角約為35°，能很好兼顧強(qiáng)場(chǎng)防護(hù)與單站RCS縮減。將二維扇面結(jié)構(gòu)卷成三維立體結(jié)構(gòu)后，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。表2錐形準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)能量選擇表面(ESS)尺寸參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)rlh取值(單位：mm)130.50217.5072.14圖5為實(shí)施例中模擬軟件生成天線罩的仿真圖及局部放大圖，其中(a)為正視圖、(b)為俯視圖。本實(shí)用新型還提供了一種單極子天線系統(tǒng)，包括上述單極子天線的錐形能量選擇天線罩，及設(shè)置在錐形能量選擇防護(hù)罩內(nèi)部的單極子天線；所述單極子天線置于錐形天線罩內(nèi)部，天線罩錐體底面與單極子天線接地面貼合，通過(guò)粘接或焊接連接在一起。實(shí)施例中確定單極子天線的工作頻帶，并根據(jù)其頻帶設(shè)計(jì)單極子天線，按照典型的單極子天線設(shè)計(jì)方法，其極子長(zhǎng)度在四分之一波長(zhǎng)附近，由于接地面不是嚴(yán)格的無(wú)限大理想導(dǎo)體平面，最大輻射方向會(huì)向上半空間偏移。以工作頻點(diǎn)設(shè)計(jì)在2.26GHz的單極子天線為例，通過(guò)CST軟件仿真，單極子長(zhǎng)度為31mm,接地面為直徑217.50mm的金屬圓盤(pán)，天線采用50Ω同軸線進(jìn)行饋電。如圖6所示，為單極子天線結(jié)構(gòu)圖，由極子5、同軸接頭6和接地面7組成。單極子天線不屬于平面結(jié)構(gòu)天線，且向上半空間輻射電磁波，傳統(tǒng)的平面天線罩占據(jù)空間大且影響輻射性能，所以一般采用錐形或者鼻錐形的天線罩。在錐形結(jié)構(gòu)上無(wú)法排布嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)，只能用近似的準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代。由于不是嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)，單元與單元之間的間隔并不完全一致，而半導(dǎo)體器件的尺寸是固定的，所以設(shè)計(jì)能量選擇表面時(shí)，半導(dǎo)體器件只能加載在單元內(nèi)部。另外，圓形單元各向均勻，應(yīng)用在錐形結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。綜上考慮，采用本實(shí)用新型提供的天線罩。如圖7所示為單極子天線與本實(shí)用新型天線罩組成天線系統(tǒng)的模擬仿真圖及局部放大圖。下面通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件CST對(duì)本實(shí)用新型和現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)圖6中單極子天線進(jìn)行仿真，獲得天線的反射系數(shù)S11以及方向圖，結(jié)果如圖8及圖9所示。通過(guò)圖8仿真結(jié)果可知，單極子天線的-10dB帶寬為2.117GHz至2.415GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到13.4％，在2.26GHz的輸入反射系數(shù)為-13.5dB。作出方位角Φ＝0°天線方向圖，從圖9(a)中可以看出來(lái)，最大功率輻射方向?yàn)楦┭鼋铅龋?0°的時(shí)候。因此，可以用加天線罩前后θ＝60°天線方向圖變化情況反映天線罩的透波及防護(hù)性能，并判斷其對(duì)天線性能的影響。在不加天線罩的情況下，仿真得到θ＝60°天線方向圖如圖9(b)所示，單極子天線具有全向性。對(duì)圖3中平面結(jié)構(gòu)延伸得到的能量選擇表面進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示，圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)S21角度掃描圖，(a)為傳輸模式，(b)為防護(hù)模式。在二極管導(dǎo)通之前，即傳輸模式下，能量選擇表面處于帶通狀態(tài)，垂直入射時(shí)，諧振點(diǎn)在2.26GHz，1dB帶寬為1.97GHz到2.45GHz，相對(duì)帶寬22％，隨著入射角度增加，諧振點(diǎn)基本不變，通帶帶寬變小，入射角大于60°相對(duì)帶寬為10.9％。強(qiáng)場(chǎng)輻照下，在二極管導(dǎo)通以后，即防護(hù)模式下，在之前的通帶范圍內(nèi)，衰減大于15dB，而且隨著入射角度增大而增大。綜合分析，這種圓環(huán)縫隙單元的角度穩(wěn)定性在工作頻點(diǎn)基本滿足作為帶通能量選擇表面的要求，工作頻帶與單極子天線一致。正常來(lái)波下，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，天線罩對(duì)電磁波的衰減非常小，此時(shí)本實(shí)用新型天線系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。仿真所用的二極管為BAP5102。圖11傳輸模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對(duì)比；圖12傳輸模式下單極子天線加罩前后方向圖對(duì)比。天線原有的-10dB頻帶縮減為2.1GHz到2.3GHz，在2.26GHz處的S11達(dá)到-24dB。由于天線罩與天線的耦合，在2.36GHz到2.68GHz的S11也降至-10dB以下。天線的工作帶寬與設(shè)計(jì)的周期圓環(huán)縫隙-1dB通帶(1.97GHz到2.45GHz)較為一致。通過(guò)觀察天線在2.26GHz時(shí)的E面方向圖，加天線罩前后變化不大，最大輻射方向依然在θ＝60°處。比較最大輻射方向上的方向圖，幾乎完全重合，但是由于錐形天線罩是準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，并非各向均勻，會(huì)導(dǎo)致細(xì)微的方向性差異。綜合來(lái)看而言，加載天線罩之后，單極子天線的工作頻點(diǎn)不變，帶寬略有變化，總體性能變化不大，能夠正常工作。強(qiáng)場(chǎng)情況下，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，天線罩處于防護(hù)模式下。在防護(hù)模式下的本實(shí)用新型天線系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖13與圖14所示，圖13防護(hù)模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對(duì)比；圖14防護(hù)模式下單極子天線加罩前后方向圖對(duì)比；在原來(lái)的工作頻帶內(nèi)，天線發(fā)射的信號(hào)幾乎被全部反射。從方向圖來(lái)看，最大輻射方向由θ＝60°轉(zhuǎn)為θ＝160°，原來(lái)的天線信號(hào)是可以透過(guò)天線罩向上半空間輻射，但是當(dāng)二極管全部導(dǎo)通之后，天線輻射的能量主要集中下半空間。這是因?yàn)樘炀€罩處于防護(hù)模式下時(shí)，將電磁波反射，然后通過(guò)饋電端口輻射到后向。對(duì)比θ＝60°時(shí)候的方向圖，可以看出輻射功率大大降低。由天線的互易性，可以判斷，當(dāng)二極管全部導(dǎo)通時(shí)，天線工作頻段內(nèi)來(lái)波的大部分能量將被反射，系統(tǒng)前端能得到有效保護(hù)。單極子天線加載錐形天線罩前后的單站RCS如圖15所示?？梢钥吹剑S著頻率增加，天線的單站RCS逐漸增加，而天線與天線罩一體化天線系統(tǒng)的單站RCS卻在逐漸減小。在2.26GHz附近，天線罩處于透波頻段，RCS縮減量只有3到5dB散射效果與不加天線罩時(shí)接近。而在工作頻帶外，大部分帶外信號(hào)的能量由于天線罩的形狀被反射到其他地方，一體化天線系統(tǒng)的RCS縮減達(dá)到10dB以上，隱身效果大大提高。本實(shí)用新型在非平面結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)有源準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的防護(hù)罩。二極管沿平行于60°扇面邊緣的弧邊方向及其角平分線方向排布，使得來(lái)波的能在其兩端產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，易于導(dǎo)通，選取300°扇面構(gòu)建錐形，使錐體傾角達(dá)到約35°，既能有效反射工作頻帶外的探測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單站RCS縮減，又能保證強(qiáng)場(chǎng)到來(lái)時(shí)能在二極管兩端產(chǎn)生足夠高的感應(yīng)電壓使其導(dǎo)通。以上所述僅為本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，本實(shí)用新型并不局限于上述實(shí)施方式，在實(shí)施過(guò)程中可能存在局部微小的結(jié)構(gòu)改動(dòng)，如果對(duì)本實(shí)用新型的各種改動(dòng)或變型不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，且屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3