本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到低rcs特性的寬帶寬角掃描相控陣天線系統(tǒng)?；谝环N強(qiáng)互耦效應(yīng)思想，本發(fā)明提出并設(shè)計的同時具有超寬工作頻帶、寬波束掃描角、低rcs等特性的相控陣天線，特別適用于新一代隱身載體平臺。

背景技術(shù)：

天線作為無線系統(tǒng)中不可缺少的重要部件，其主要作用是作為連接射頻輸入端口與自由空間的匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在特定方向上接收和發(fā)射電磁波能量的目的，因此天線的性能決定整個無線通信系統(tǒng)的性能。由于探測與高分辨率成像的需求，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)工作帶寬日益提升。相控陣天線由于具有波束掃描速度快、跟蹤精度高以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，是現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的主要天線形式，也是新一代作戰(zhàn)平臺無線電子系統(tǒng)不可或缺的天線形式。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，為了使得雷達(dá)在更遠(yuǎn)的距離上發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)，各種軍事電子系統(tǒng)對相控陣天線的寬頻帶、寬角掃描特性提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的相控陣天線設(shè)計由于受到陣元間互耦等因素的影響導(dǎo)致在拓寬頻帶以及寬角掃描上有很大的局限性。近年來，國際陣列天線研究領(lǐng)域出現(xiàn)了一種基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的寬帶相控陣天線，它是由munk等人在美國專利號為6512487的專利中提出的“寬帶相控陣及其相關(guān)技術(shù)”(widebandphasedarrayantennaandassociatedmethods)。munk披露的相控陣天線輻射單元是一種完全平面化的、具有極寬工作帶寬的特性。munk在相鄰偶極子的末端通過交指連接從而引入了強(qiáng)電容耦合分量，這一強(qiáng)電容耦合分量剛好可以用來補(bǔ)償緊密排列的偶極子單元固有的電感分量，因此當(dāng)相控陣天線工作頻率發(fā)生變化時，天線單元的輸入阻抗以及輻射特性隨頻率變化緩慢，從而展現(xiàn)出了極寬的頻帶特性。然而，基于這種強(qiáng)互耦思想在設(shè)計寬帶寬角掃描相控陣時也存在一些自身的不足：munk等人的強(qiáng)電容耦合偶極子相控陣需要使用兩層以上的微波介質(zhì)板材，并且往往要求充當(dāng)寬角掃描阻抗匹配層的介質(zhì)板材具有與工作波長成正比的厚度，因此該實現(xiàn)方案不便于復(fù)雜平臺載體上共形寬帶相控陣天線設(shè)計。

新一代作戰(zhàn)載體平臺不僅對天線系統(tǒng)本身提出了超寬帶、寬角波束掃描的要求，同時也將天線系統(tǒng)的隱身性能作為了當(dāng)前武器裝備的重要研制指標(biāo)。近年來隨著隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，具有隱身功能要求的載體平臺本身的電磁散射或rcs(radarcrosssection，雷達(dá)散射截面)已越來越低。天線作為有源目標(biāo)，在自身工作時必須保證能正常收發(fā)電磁波，不能被遮擋或覆蓋，常規(guī)的隱身方法(如整形技術(shù)、吸波材料技術(shù)等)無法簡單的在天線隱身中直接得以應(yīng)用。平臺上的天線已經(jīng)成為其最重要散射源。因此當(dāng)前雷達(dá)天線系統(tǒng)的rcs控制已成為隱身技術(shù)中亟待解決的問題。

以往人們對天線的rcs縮減研究主要集中在單元天線領(lǐng)域，也提出了許多的方法，但鮮有涉及到同時兼顧超寬帶、寬角波束掃描、低rcs這三大挑戰(zhàn)的相控陣天線設(shè)計的報道。例如申請?zhí)枮?01110321595.7的中國專利“基于完全吸收器的低rcs微帶天線”中提出了一種基于吸收體的吸波特性而設(shè)計出的微帶天線，加載完全吸收器之后，可使微帶天線的rcs減少8-15db。但是，微帶天線本身工作帶寬窄，難以滿足現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對寬頻帶工作的要求，而且也難以實現(xiàn)寬角掃描。申請?zhí)枮?00620166938.1的中國專利“一種3.1～10.6ghzvivaldi超寬帶天線”可以解決寬頻帶的要求，然而它的剖面高度很高，難以滿足復(fù)雜平臺載體上關(guān)于共形寬帶相控陣天線的設(shè)計要求，同時它的rcs也很高，不利于隱身設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景而實現(xiàn)，在munk關(guān)于強(qiáng)互耦效應(yīng)寬帶相控陣技術(shù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步提出了低rcs特性的寬帶寬角掃描相控陣天線形式，可以全面解決背景技術(shù)中提到的各項技術(shù)難題。

包括但不僅限于上述設(shè)計目的、特征以及優(yōu)勢的低rcs寬帶寬角掃描相控陣天線包括一組印刷在薄介質(zhì)層(厚度10mil，相對介電常數(shù)εr＝2.2)上的緊密排列的偶極子陣列，一組對偶極子的兩臂進(jìn)行饋電的多層阻抗變換巴倫，一塊厚度為2mm的地板以及一塊放置在輻射單元層上方的阻抗匹配層。上述偶極子陣列相鄰單元之間分別包含一組饋電端口、一組由偶極子單元末端延長了的具有強(qiáng)電容效應(yīng)的交指電容，上述偶極子陣列放置于反射地板上方約四分之一波長處，地板與偶極子陣列之間完全由泡沫聚苯乙烯材料填充，為整個相控陣天線起到結(jié)構(gòu)支撐作用。

該陣列采用的是多層結(jié)構(gòu)的阻抗變換巴倫為偶極子兩臂進(jìn)行饋電，該巴倫可以完成100歐姆到偶極子輸入端的阻抗變換，然后將兩個偶極子單元組合為一個1×2的子陣，再用功分器實現(xiàn)50歐姆到100歐姆的阻抗變換，一方面實現(xiàn)了阻抗變換的目的，另一方面還減少了t/r組件的數(shù)量。不僅如此，為了降低實施難度，將功分器和多層阻抗變換巴倫的下層制作在一塊介質(zhì)板上，然后多層阻抗變換巴倫的上下兩層用半固化片粘合。

本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于：通過采取這種新穎的多層結(jié)構(gòu)阻抗變換巴倫為偶極子兩臂進(jìn)行饋電，相對于vivaldi等傳統(tǒng)的超寬帶相控陣天線形式來說，顯著降低了天線剖面高度，有利于削減天線散射特性中的結(jié)構(gòu)散射項。此外，為了增大該相控陣天線的掃描角度，同時也為了減輕其阻抗隨掃描角度的變化，在本發(fā)明中于天線輻射單元層上方增加了一層阻抗匹配層，結(jié)果證實這個行為對整個相控陣列的散射特性也是十分有益的(這可以從附圖說明中的圖5和圖7看出)，它顯著地改善了天線散射特性中的模式散射項，使得其在全頻段的低rcs特性上具有更大優(yōu)勢。

綜上所述，本發(fā)明的有益效果是：提出了一種基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的低rcs寬帶寬角掃描相控陣天線形式，它在4-16ghz(4倍頻程)寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了±55°寬角掃描，與vivaldi等傳統(tǒng)的超寬帶相控陣天線形式相比，具有顯著的低rcs特性，從而解決了在針對超寬帶、寬角波束掃描、低rcs這三大挑戰(zhàn)的相控陣天線設(shè)計上的難題。

附圖說明

在附圖中，相同的參考標(biāo)記通常指示相同的、功能相似的和/或結(jié)構(gòu)相似的元件。在附圖中，凡有下標(biāo)的的參考標(biāo)記表示該元件是其對應(yīng)的獨立無下標(biāo)參考標(biāo)記的子元件。本發(fā)明將按參考附圖逐一對其結(jié)構(gòu)特點、功能特性進(jìn)行詳細(xì)描述，其中：

圖1是一個基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的6×6寬帶寬角掃描相控陣天線的立體圖。

其中，101是加強(qiáng)了單元間電容耦合效應(yīng)的緊密排列的偶極子單元，它印刷在薄介質(zhì)層104上(厚度10mil，相對介電常數(shù)εr＝2.2)；102是為偶極子兩臂進(jìn)行饋電的多層阻抗變化巴倫結(jié)構(gòu)；103是一級一分二功分器，它印制在介質(zhì)板105之上；106是功分器的地板；107是相控陣天線的反射地板；108是一層寬角阻抗匹配層；109是為由102和103組成的饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行射頻能量輸入的微波同軸電纜接口；110是對整個相控陣天線系統(tǒng)起結(jié)構(gòu)支撐作用的聚苯乙烯泡沫填充材料。

圖2是圖1中一個周期單元的結(jié)構(gòu)圖，圖1所述的相控陣天線包含一系列呈周期性排列的這種結(jié)構(gòu)。每一個這樣的周期單元均包含一個偶極子單元101，阻抗變換結(jié)構(gòu)102，功分器103，功分器地板106，天線級反射地板107，為由102和103組成的饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行射頻能量輸入的微波同軸電纜接口，以及薄介質(zhì)板104和105，寬角阻抗匹配層108，起結(jié)構(gòu)支撐作用的聚苯乙烯泡沫填充材料110。

圖3是對偶極子兩臂進(jìn)行饋電的多層阻抗變換巴倫結(jié)構(gòu)102的爆炸圖。其中1021是印制不平衡-平衡阻抗變換帶線的微波介質(zhì)基板，帶線1022印制在微波介質(zhì)基板1021的一側(cè)，中間層的帶線1023印制在其中一塊微波介質(zhì)基板1021的另一側(cè)，兩塊介質(zhì)基板之間通過一層半固化片1024粘合。這里中間層的帶線1023直接與功分器103相連，與之相應(yīng)的微波介質(zhì)基板1021和印制功分器103的介質(zhì)板105制作在一塊介質(zhì)板上，這樣可以降低天線組裝難度。中間層的帶線1023將能量耦合至帶線1022，然后對偶極子的兩臂進(jìn)行饋電。

圖4是具體實施例1在e面掃描時的駐波比結(jié)果圖。其中，圖4(a)描述的是具體實施例1在帶有阻抗匹配層的情況下e面掃描時的駐波比；圖4(b)描述的是具體實施例1在不帶有阻抗匹配層的情況下e面掃描時的駐波比?？梢?，適當(dāng)?shù)靥砑右粚幼杩蛊ヅ鋵訉μ炀€掃描特性是有益的，該實施例可以在4:1的工作帶寬內(nèi)進(jìn)行寬角掃描。

圖5是具體實施例1在同極化波垂直入射時的單站rcs結(jié)果圖，同時也給出了在具體實施例1不帶有阻抗匹配層的情況下同極化波垂直入射時的單站rcs結(jié)果圖，也一并給出了同面積大的金屬平板在相同性質(zhì)的平面波入射下的單站rcs結(jié)果圖?？梢姡淳唧w實施例1研制的寬帶寬角掃描相控陣具有良好的低散射特性。

圖6是具體實施例2在中心頻率處0°、30°、55°掃描時的輻射方向圖?？梢?，按具體實施例2研制的寬帶寬角掃描相控陣具有良好的寬角掃描特性。

圖7是具體實施例2在同極化波垂直入射時的單站rcs結(jié)果圖，同時也給出了在具體實施例2不帶有阻抗匹配層的情況下同極化波垂直入射時的單站rcs結(jié)果圖，也一并給出了同面積大的金屬平板在相同性質(zhì)的平面波入射下的單站rcs結(jié)果圖。可見，按具體實施例2研制的寬帶寬角掃描相控陣具有良好的低散射特性。

圖8是具體實施例2同參考天線(一款具有相同工作頻帶、相同掃描角、相同孔徑大小的vivaldi陣列)在同極化波垂直入射時的單站rcs對比圖?？梢姡淳唧w實施例2研制的寬帶寬角掃描相控陣具有良好的低散射特性。

具體實施方式

實施例1

參照圖2所示的單元結(jié)構(gòu)，本實施例的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的低rcs寬帶寬角掃描相控陣天線100由交指偶極子貼片單元構(gòu)成，采用周期邊界條件模擬本發(fā)明在無限大陣列環(huán)境下的仿真。本發(fā)明的天線單元結(jié)構(gòu)描述如下：印刷在介質(zhì)層104(厚度10mil,相對介電常數(shù)εr＝2.2)上的交指偶極子單元101，偶極子單元101的兩臂通過多層阻抗變化巴倫102進(jìn)行饋電，其一端與偶極子單元相連，一端通過反射級地板107和饋電巴倫102的中間層帶線1023與功分器103相連，以及對由102和103組成的饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行射頻能量輸入的微波同軸電纜接口。介質(zhì)層104與反射級地板107之間的距離約為最高頻處的四分之一波長，偶極子單元101間距約為最高頻處半個波長；介質(zhì)層104與反射地板107之間完全由聚苯乙烯泡沫110填充。當(dāng)然，熟知本研究領(lǐng)域的技術(shù)人員可以采用任何可以支撐天線結(jié)構(gòu)的材料來取代本實施例采用的聚苯乙烯泡沫110；阻抗匹配層108位于在介質(zhì)層104上方。

上述基于強(qiáng)電容耦合的寬帶相控陣天線100的結(jié)構(gòu)簡單，無需像傳統(tǒng)寬帶偶極子相控陣設(shè)計一樣使用多種不同厚度、不同介電常數(shù)的微波介質(zhì)板材，因此從某種意義上降低了設(shè)計難度。由于天線最高可以工作在ku波段，天線剖面高度較低，采取將功分器103和饋電巴倫102組成的饋電結(jié)構(gòu)制作在一塊雙層介質(zhì)板上的方式，可以更加易于天線后期的組裝。通過在天線上方加一層阻抗匹配層，可以同時滿足寬帶寬角掃描相控陣的低散射特性的要求。

圖4～圖5給出了本實施例1的駐波特性和散射特性，其中從圖4可見，本實施例1的寬帶相控陣至少具有4:1的阻抗帶寬；從圖5可見，本實施例1的寬帶寬角掃描相控陣具有良好的低散射特性

實施例2：

具體地，將每個周期單元沿著陣面二維方向分別延伸，即可構(gòu)成圖1中的6×6低rcs寬帶寬角掃描相控陣天線。其他結(jié)構(gòu)與元件同實施例1中的詳細(xì)描述。

圖6～圖8給出了本實施例2的輻射方向圖與散射特性結(jié)果。其中從圖6可見，該陣列在不同的掃描角度上具有穩(wěn)定的波束指向，掃描時的輻射特性良好；圖7給出的是本實施例2研制的強(qiáng)互耦寬帶相控陣與不帶阻抗匹配層的強(qiáng)互耦寬帶相控陣的單站rcs對比圖，可見，本實施例2研制的寬帶寬角掃描相控陣具有良好的低散射特性；圖8給出的是本實施例2同參考天線(一款具有相同工作頻帶、相同掃描角、相同孔徑大小的vivaldi陣列)的單站rcs對比圖?？梢姡緦嵤├?研制的寬帶寬角掃描相控陣具有良好的低散射特性。

前面已經(jīng)描述本發(fā)明的多個實施例，應(yīng)該理解他們只是以一種示例形式被提出，并無限制性。因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以作出多種形式上和細(xì)節(jié)上的變更，這對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，無需創(chuàng)造性勞動。本發(fā)明的寬度和范圍不應(yīng)當(dāng)局限于任何上述的示例性實施例。