專利名稱：低散射平面反射陣列天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于天線技術領域，特別涉及平面反射陣列天線，可用于隱身武器的平臺 設計。
背景技術：
隨著信息技術的迅猛發(fā)展，現代探測設備和武器系統(tǒng)向智能化、高精度、遠距離發(fā) 展，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)武器在戰(zhàn)場上生存能力、突防和打擊能力受到嚴重的威脅。隱身技術的出現 極大地提高了武器裝備的生存能力、戰(zhàn)斗能力，尤其是縱深打擊能力。隱身技術已經成為 集陸、海、空、天、電磁六維一體的立體化現代戰(zhàn)爭中最重要、最有效的突防戰(zhàn)術技術手段之 一，并受到世界各國的高度重視。在現代戰(zhàn)爭中，雷達仍然是探測、識別目標的比較可靠的 手段之一，研究目標的雷達特征信號控制是隱身技術研究的重點。天線是現代武器裝備上不可或缺的重要設備之一。實踐證明高增益天線，如陣列 天線、反射面天線是強散射源之一，天線的雷達散射截面RCS減縮技術已是目標隱身技術 領域的瓶頸技術。天線的散射與一般目標的散射不同，天線作為電磁波輻射設備，降低天線 的RCS的前提是滿足一定的輻射特性要求，這兩者是相互矛盾的，需要一個折衷的方案。平面反射陣列天線又稱平面拋物面天線或反射陣。這種反射陣列天線體積小、重 量輕，但這種天線的最大不足是散射特性強，在現代戰(zhàn)爭中應用于武器裝備時，易被敵方雷 達探測和發(fā)現，應用范圍受到限制。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種低散射平面反射陣列天 線，以減小散射特性，滿足在隱身武器裝備中的應用要求。本發(fā)明的目的是這樣實現的一.技術原理平面反射陣列天線的基本結構是由大量的無源諧振單元組成的周期性陣列，然后 由一個饋源照射這個陣列，通過調節(jié)介質板上每個單元結構使之對于入射波實現特定相 移，使得散射波在特定的方向上實現同相位，從而以筆形波束的形式發(fā)射出去。實現方法主 要有改變輻射單元的尺寸、改變單元的旋轉角度以及改變單元連接的相位延遲線的長度。頻率選擇表面FSS是一種二維的周期陣列結構，由周期性排列的金屬貼片單元或 金屬屏上周期性排列的開孔單元構成。FSS本身不吸收能量卻能有效控制入射電磁波的傳 輸和反射。對單元諧振頻率下入射的電磁波，不同FSS分別呈現全反射和全透射特性，因此 分別稱為帶阻型FSS或帶通型FSS。FSS以其特有的頻率選擇性在微波、毫米波和紅外以至 可見光波段都有極其廣泛的應用。本發(fā)明充分利用頻率選擇表面的頻率選擇特性，與平面反射陣列天線結合，將帶 阻型頻率選擇表面設計成反射陣列天線的地板，一是在雷達工作頻段內具有良好的反射特 性，保證天線正常工作；二是對于帶外威脅雷達波具有良好的透波特性，不產生強烈的反射，降低反射陣列天線的帶外RCS。二.天線結構本發(fā)明的低散射平面反射陣列天線包括饋源、上介質板、下介質板、輻射陣列和 支撐架，饋源通過支撐架固定在上介質板的上方，輻射陣列印制在上介質板的正面，上介質 板的背面與下介質板的正面之間采用間隙固定，其特征在于下介質板的背面印制有頻率 選擇表面，該頻率選擇表面由多個相同的中空正方形或中空圓形頻率選擇單元，在矩形域 內以0. 25-0. 3 λ的間隔排列而成；輻射陣列由多個中空正方形或中空圓形輻射單元，在圓 域內以0. 5-0. 6 λ的間隔排列而成。所述的圓域內排列的每個中空正方形或中空圓形輻射單元大小不等，且按中心單 元尺寸最大，周圍單元尺寸逐漸減小的規(guī)律設定。所述的中空正方形輻射單元和頻率選擇單元中間的孔為正方形，中空圓形輻射單 元和頻率選擇單元中間的孔為圓形。所述的圓域內的每個輻射單元，在垂直方向對應矩形域內的4個頻率選擇單元。所述的饋源，采用矩形微帶結構，包括地板、介質層和輻射貼片，輻射貼片印制在 介質層的正面，金屬板作為地板固定在介質層的背面。本發(fā)明與現有技術相比具有如下優(yōu)點1)本發(fā)明中將頻率選擇表面設計成反射陣列天線的地板，集成了頻率選擇表面的 濾波特性和微帶天線輻射特性，在工作頻段內保證了天線良好的輻射特性，在工作頻段外， 實現了低RCS的性能，達到了隱身的目的。2)本發(fā)明中圓域內的每個輻射單元，在垂直方向對應矩形域內的4個頻率選擇單 元，這種一對四的排列結構相比于以往技術中的一對一的排列結構，降低了 RCS，減小了對 輻射特性的影響。3)本發(fā)明使用小型化的微帶天線作為饋源，避免了由于饋源的遮擋導致反射陣列 天線系統(tǒng)的增益降低；選擇適當大小的微帶天線的地板，減少了微帶天線表面波的影響，降 低了低仰角輻射的能量，提高了饋源前向增益。理論計算結果和實測結果表明，本發(fā)明天線同時具有高增益和低RCS特性。
圖1是本發(fā)明整體結構示意圖；圖2是本發(fā)明的饋源結構示意圖；圖3是本發(fā)明上介質板及輻射陣列的結構示意圖；圖4是本發(fā)明下介質板及頻率選擇表面的結構示意圖；圖5是本發(fā)明輻射單元與頻率選擇單元的正面布局結構示意圖；圖6是本發(fā)明輻射單元與頻率選擇單元的側面布局結構示意圖；圖7是本發(fā)明與現有金屬地板的反射陣列天線在2. 5GHz時主極化水平面和主極 化垂直面的輻射方向圖；圖8是本發(fā)明與現有金屬地板的反射陣列天線的RCS對比圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明的低散射平面反射陣列天線由饋源1、上介質板2、下介質板3、輻 射陣列4、頻率選擇表面5、支撐架6、饋線7和支撐螺釘8構成。饋源1通過支撐架6固定 在距離上介質板2的正面400mm的地方；輻射陣列4印制在上介質板2的正面，頻率選擇表 面5印制在下介質板3的背面；上介質板2的背面與下介質板3的正面之間為空氣介質，兩 個介質板通過支撐螺釘8固定；天線通過饋線7給饋源1饋電，該饋線沿支撐架放置。參見圖2，本發(fā)明的饋源1采用矩形微帶天線形式，由金屬地板201、介質層202和 輻射貼片203構成，金屬地板201固定在介質層202的背面，輻射貼片203印制在介質層 202正面。金屬地板采用厚度為0. 8mm，邊長為54mm的方形金屬銅；介質層采用介電常數為 3. 2，厚度為1. 56mm的板材，邊長為35mm ；輻射貼片為正方形，邊長為32mm。饋源通過饋線 7饋電，饋線7的芯線直接從饋源的背面穿過與饋電點204焊接。參見圖3，本發(fā)明的輻射陣列4位于上介質板2的正面，利用印刷電路板工藝制成。 該輻射陣列共有37個單元，但不限于37個，這些單元采用中間設有孔的中空正方形或中空 圓形結構，且每個單元的中孔形狀與其單元的形狀一致，即對于中空正方形結構，中間的孔 為正方形，該方形孔的邊長為外方形邊長的0. 1-0. 4倍，對于中空圓形結構，中間的孔為圓 形，該圓孔半徑為外圓半徑的0. 1-0.4倍。圖3所示的是采用中空正方形結構，該實例設定 方形孔的邊長為外方形邊長的0. 2倍，單元之間的中心間距，沿橫向及縱向均為64mm。上介 質板采用介電常數為3. 2，厚度為1. 56mm的介質板材。根據選定的介質材料及其厚度、饋源 與上介質板之間的距離、各單元間的間距，給每個單元設計可實現所需相位補償的邊長。本 實例中，輻射單元401的尺寸按中心單元尺寸最大，周圍單元尺寸逐漸減小的規(guī)律設定，其 外邊長依次取為:44mm, 42. 4mm, 41. 2mm, 39. 5mm, 38. 8mm, 37mm, 36. 4mm, 35. 8mm。參見圖4，本發(fā)明的頻率選擇表面5位于下介質板3的背面，利用印刷電路板工 藝制成。該頻率選擇表面共148個單元，但不限于148個，每個單元的結構及大小均相同。 這些單元采用中間設有孔的中空正方形或中空圓形結構，且每個單元的中孔形狀與其單元 的形狀一致，即對于中空正方形結構，中間的孔為正方形，該方形孔的邊長為外方形邊長的
0.8-0. 9倍，對于中空圓形結構，中間的孔為圓形，該圓孔半徑為外圓半徑的0. 8-0. 9倍。圖 4所示的是采用中空正方形結構，本實例設定外方形邊長為27mm，方形孔的邊長為24. 2mm。 該單元之間的中心間距，沿橫向及縱向均為32mm。下介質板采用介電常數為3. 2，厚度為
1.56mm的介質板材。參見圖5和圖6，各輻射單元401之間的中心間距為64mm，各頻率選擇單元501之 間的中心間距為32mm，即在垂直方向上每個輻射單元對應4個頻率選擇單元。與以往技術 中一對一的排列結構相比，本發(fā)明的這種一對四的結構布局進一步降低了天線的RCS，且更 大程度減小了對輻射特性的影響。本發(fā)明天線的輻射性能與低RCS性能可通過實測及仿真結果進一步說明為證明本發(fā)明提出的天線具有良好的輻射特性和低散射特性，在以下兩種情況下 進行了測試和仿真計算第一種情況，是對本發(fā)明提出的天線直接進行輻射方向圖測試；第二種情況，是在本發(fā)明提出的天線基礎上，用一個金屬板替代下介質板3背面 的頻率選擇表面5，再進行輻射方向圖測試。
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圖7是在以上兩種情況下實測的天線的輻射方向圖，其中圖7 (a)是主極化水平面 輻射方向圖，圖7(b)是主極化垂直面輻射方向圖。從圖7中可以看出，本發(fā)明提出的天線 與現有的金屬板為地板的同規(guī)格天線相比，方向圖吻合良好，具有基本相同的輻射特性。圖8是在以上兩種情況下仿真計算得到的單站雷達散射截面對比圖，平面波垂直 于輻射陣面入射，計算的頻率范圍是2 20GHz，覆蓋了目前經常使用的雷達的大部分頻 率。從圖8可以看出，本發(fā)明提出的天線在工作頻率2. 5GHz以外的所有頻段內，單站雷達 散射截面都得到了大幅度的降低，減縮效果非常明顯。上述實例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，只用于對本發(fā)明進行具體的描述， 讓熟悉該項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護 范圍。凡根據本發(fā)明內容所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種低散射平面反射陣列天線，包括饋源(1)、上介質板O)、下介質板(3)、輻射陣 列(4)和支撐架(6)，饋源(1)通過支撐架(6)固定在上介質板O)的上方，輻射陣列(4) 印制在上介質板O)的正面，上介質板O)的背面與下介質板(3)的正面之間采用間隙固 定，其特征在于下介質板(3)的背面印制有頻率選擇表面(5)，該頻率選擇表面由多個相同的中空正 方形或中空圓形頻率選擇單元(501)，在矩形域內以0.25-0. 3 λ的間隔排列而成；輻射陣列G)，由多個中空正方形或中空圓形輻射單元G01)，在圓域內以0. 5-0. 6 λ 的間隔排列而成；饋源(1)，采用矩形微帶結構。
2.根據權利要求1所述的低散射平面反射陣列天線，其特征在于圓域內排列的每個中 空正方形或中空圓形單元大小不等，且按中心單元尺寸最大，周圍單元尺寸逐漸減小的規(guī) 律設定。
3.根據權利要求1所述的低散射平面反射陣列天線，其特征在于中空正方形輻射單元 中間的孔為正方形，中空圓形輻射單元中間的孔為圓形。
4.根據權利要求1所述的低散射平面反射陣列天線，其特征在于中空正方形頻率選擇 單元中間的孔為正方形，中空圓形頻率選擇單元中間的孔為圓形。
5.根據權利要求1所述的低散射平面反射陣列天線，其特征在于圓域內的每個輻射單 元G01)，在垂直方向對應矩形域中的4個頻率選擇單元(501)。
6.根據權利要求1所述的低散射平面反射陣列天線，其特征在于饋源(1)包括地板 001)、介質層(202)和輻射貼片003)，輻射貼片印制在介質層的正面，金屬板作為地板固 定在介質層的背面，地板的尺寸大于輻射貼片的尺寸，以減小表面波效應，提高前向增益。
7.根據權利要求1所述的低散射平面反射陣列天線，其特征在于上介質板O)的背面 與下介質板(3)的正面之間的間隙是空氣介質。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低散射的平面反射陣列天線，主要解決現有陣列天線輻射特性與低RCS特性之間的矛盾。該天線包括饋源(1)、上介質板(2)、下介質板(3)、輻射陣列(4)、頻率選擇表面(5)和支撐架(6)。饋源(1)采用矩形微帶結構，通過支撐架(6)固定在上介質板(2)的上方；輻射陣列(4)由多個中空正方形或中空圓形輻射單元(401)，在圓域內排列而成，印制在上介質板(2)的正面；頻率選擇表面(5)由多個相同的中空正方形或中空圓形頻率選擇單元(501)，在矩形域內排列而成，印制在下介質板(3)的背面；上下介質板之間采用間隙固定。本發(fā)明能有效的降低反射陣列天線的RCS，可直接用于武器平臺的隱身設計中。
文檔編號H01Q15/22GK102117971SQ20111000151
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權日2011年1月6日
發(fā)明者任立石, 劉 英, 張鵬飛, 徐云學, 趙晉娟, 龔書喜 申請人:西安電子科技大學