基于人工电磁结构材料的高增益低雷达散射截面平板天线

摘要

本发明提供一种基于人工电磁结构材料的高增益低雷达散射截面平板天线，该天线由微带贴片和正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料构成。该人工结构材料由介质基板，以及在基板正面制作的周期性金属方环结构和反面制作的周期性开口缝隙金属平面结构构成。正面金属方环结构的四边中心处加载了集中电阻元件。当电磁波从人工结构材料正面入射时，电磁波能量主要被吸收；当电磁波从人工结构材料反面入射时，电磁波能量主要被反射。将人工结构材料放置在微带贴片上方作为覆层，其反面作为部分反射表面和微带贴片的金属接地板构成F-P谐振腔，提高天线的辐射增益；其正面可以吸收外来入射波，降低天线的雷达散射截面。

权利要求

1.一种基于人工电磁结构材料的高增益低雷达散射截面平板天线，其特征在于：包括正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料(1)，以及微带贴片(2)、金属接地板(3)和微带贴片的介质板(4)；正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料(1)由介质基板(6)，以及介质基板(6)上方的吸收表面(5)和介质基板(6)下方的部分反射表面(7)构成；其中吸收表面(5)由周期性的金属方环结构(8)，以及加载在方环四边中心的集中电阻元件(9)构成；部分反射表面(7)是由周期性的开口缝隙金属平面结构(10)组成；

一方面，当外来电磁波照射在吸收表面(5)时，该材料可以将外来电磁波转换成热量损耗，从而降低了天线的雷达散射截面(RCS)；另一方面，微带贴片(2)辐射波的电场极化方向平行x轴，x轴方向平行于金属接地板(3)，部分反射表面(7)和微带贴片的金属接地板(3)构成一个F-P谐振腔，能够大幅度提高天线的增益。

2.根据权利要求1所述的基于人工电磁结构材料的高增益低雷达散射截面平板天线，其特征在于：所述介质基板(6)的介电常数为εr1，介质基板(6)的厚度h1的取值范围是λm1/20～λm1/5，金属方环结构(8)的周期p的取值范围是λm1/5～3*λm1/5，金属方环结构(8)的宽度w1的取值范围是λm1/30～λm1/10，金属方环结构(8)的边长b的取值范围是λm1/6～λm1/2，金属方环结构(8)的四边中心开口宽度g的取值范围是λm1/60～λm1/10；

其中λm1为所述材料的吸收表面(5)的吸收频段中心频率处对应的等效波长，λ01为中心频率处对应的真空中的波长。

3.根据权利要求1所述的基于人工电磁结构材料的高增益低雷达散射截面平板天线，其特征在于：开口缝隙金属平面结构(10)的缝隙宽度为w2，w2的取值范围为λm2/300～λm2/50；开口缝隙金属平面结构(10)的长度l取值范围为λm2/6～3*λm2/5；开口缝隙金属平面结构(10)缝隙之间的间距d的取值范围为λm2/15～2*λm2/5；微带贴片(2)的长和宽的取值范围为λm2/4～λm2；微带贴片的介质板(4)的介电常数为εr2，微带贴片的介质板(4)的厚度h2的取值范围为λm2/30～λm2/5；金属接地板(3)的厚度h3的取值范围为λm2/30～λm2/4；其中λm2为所述天线的工作频率处所对应的等效波长，λ02为工作频率处对应的真空中的波长。

说明书

基于人工电磁结构材料的高增益低雷达散射截面平板天线

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高增益、低RCS平板天线，特别涉及一种基于人工电磁结构材料的高增益低RCS平板天线。

背景技术

[0002] 随着飞行器雷达截面的不断减小，机载天线系统对飞行系统的雷达散射截面的贡献就变得日益突出起来，因此降低天线系统的RCS已经成为目标隐身系统中一个重要的因素。平板天线（例如微带和F-P腔天线）具有质量轻、造价低、易于共型等优点，被广泛应用与飞行器件中。因此,降低平板天线的RCS和提高平板天线的增益引起了越来越科研人员的关注和研究。然而，传统的雷达吸波材料和雷达吸波结构在降低RCS的同时也降低了天线的增益和指向性。近几年，很多基于人工电磁结构材料降低天线的RCS技术被报道。Hong-Kyu Jang等科研人员利用新型电磁带隙结构作为雷达吸波材料实现了天线RCS的缩减(H.-K.Jang,et al.Design and fabrication of a microstrip patch antenna with a low radar cross section in the X-band[J],Smart Mater.Struct.015007(2011)),加载电磁带隙结构材料后，微带贴片的RCS在8.5GHz到12GHz的频带内得到了很好的缩减，在11GHz附近，天线的RCS缩减近20分贝。因为材料在3.2GHz附近表现出很好的反射性能，所以对天线的指向性和增益影响很小，但是没有实现RCS带内缩减。Simone Genovesi等研究人员基于人工结构材料的频率选择表面实现了大角度RCS的缩减(S.Genovesi,et al.Low-Profile Array With Reduced Radar Cross Section by Using Hybrid Frequency Selective Surfaces[J],IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL.60,NO.
5,MAY2012)，但是使用人工结构材料后，天线的指向性相对原天线降低了两个分贝左右。在本专利中，使用人工电磁结构材料加载在微带贴片上；即可提高天线辐射增益，同时又可以降低天线的RCS。

[0003] 综上所述，现有的降低天线RCS的设计方案中，在缩减RCS的同时对天线辐射性能也会有影响；而且很难实现带内和带外宽频带的RCS缩减。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是：克服现有天线RCS缩减技术中难以实现带内缩减、缩减带宽窄和对原天线增益的影响等困难；提出了一种基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线，该设计方案不但可以提高原天线的增益，而且大幅度缩减的原天线带内和带外的RCS。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于人工电磁结构材料的高增益低雷达散射截面平板天线，包括正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料，以及微带贴片、金属接地板和微带贴片的介质板；正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料由介质基板，以及介质基板上方的吸收表面和介质板下方的部分反射表面构成；其中吸收表面由周期性的金属方环结构，以及加载在方环四边中心的集中电阻元件构成；
部分反射表面是由周期性的开口缝隙金属平面结构组成；一方面，当外来电磁波照射在吸收表面时，该材料可以将外来电磁波转换成热量损耗，从而降低了天线的RCS；另一方面，微带贴片辐射波的电场极化方向平行x轴，部分反射面和微带贴片的金属接地板构成一个F-P谐振腔，能够大幅度提高天线的增益。

[0006] 其中，所述介质基板的介电常数为εr1，介质基板的厚度h1的取值范围是λm1/20～λm1/5，金属方环结构的周期p的取值范围是λm1/5～3*λm1/5，金属方环结构的宽带w1的取值范围是λm1/30～λm1/10，金属方环结构的边长b的取值范围是λm1/6～λm1/2，金属方环结构的四边中心开口宽度g的取值范围是λm1/60～λm1/10；其中λm1为所述材料的吸波表面的吸收频段中心频率处对应的等效波长， λ01为中心频率处对应的真空中的波长。

[0007] 其中，开口缝隙金属平面结构的缝隙宽带为w2，w2的取值范围为λm2/300~λm2/50；开口缝隙金属平面结构的长度l取值范围为λm2/6~3*λm2/5；开口缝隙金属平面结构缝隙之间的间距d的取值范围为λm2/15~2*λm2/5；微带贴片的长和宽的取值范围为λm2/4~λm2；微带贴片的介质板的介电常数为εr2，微带贴片的介质板的厚度h2的取值范围为λm2/30~λm2/5；金属接地的厚度h3的取值范围为λm2/30~λm2/4；其中λm2为所述天线的工作频率处所对应的等效波长， λ02为工作频率处对应的真空中的波长。

[0008] 本发明具有的有益效果在于：

[0009] （1）、本发明结构简单，正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料1为平面结构，易于制作，利用PCB板加工工艺就可以制作，而这种加工工艺现在已经非常成熟。

[0010] （2）、本发明在外来电磁波照射在吸收面5时，该材料可以束缚外来电磁波并将其转换成热量损耗，从而实现了在带内和带外降低了天线的RCS。另一方面，因为部分反射面7具有高反射和一定的透射，部分反射面7和金属接地3板可以构成一个F-P谐振腔，能够大幅度提高天线的增益。

附图说明

[0011] 图1为本发明基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线和正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料1的单元结构图；

[0012] 图2为本发明人工电磁结构材料的单元结构仿真得到透过率和吸波表面5和反射表面7的反射率；

[0013] 图3为本发明基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线的回波损耗；

[0014] 图4为本发明基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线和没有覆盖正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料1时天线在11.5GHz时的E面的远场方向图。

[0015] 图5为本发明基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线和没有覆盖正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料1时天线在11.5GHz时的H面的远场方向图。

[0016] 图6为本发明基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线和没有覆盖正反两面具有不同反射特性的周期性人工结构材料1时天线的RCS与频率的关系图。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

[0018] 图1为基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线和人工结构材料的单元结构材料图，图中1代表正反两面不同反射特性的周期性人工结构材料，2代表微带贴片，3代表金属接地板，4代表微带贴片的介质板，5代表反射表面，6代表介质基板，7代表吸收表面，8金属方环结构，9代表集中电阻元件，10代表开口缝隙金属平面结构，11代表外来入射波，12代表出射波。具体实现过程如下：

[0019] （1）利用传统光刻工艺，在一张介电常数3.38，长宽为60mm×60mm，厚度为3.25mm的双面覆铜的微波PCB板（型号Rogers4003）金属层上旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板的正面制作出周期个数为5×5的四边带开口的金属方环结构，同时在反面制作出周期5×5的开口缝隙金属平面结构，然后在金属方环结构四个开口中个焊接一个集中电阻元件；每个单元形状为图1中的金属方环结构、加载的集中电阻和开口缝隙金属平面结构所示的形状。上述微波PCB板（型号Rogers4003）为正反两面不同反射率的人工结构材料的介质基板6。本实例采取的参数尺寸为：金属方环结构8和开口缝隙金属平面结构10的周期p为12mm，金属方环结构8的边长b为7mm，金属方环结构8的宽w1为0.5mm，金属方环结构8四边中心开口宽度g为1mm，金属方环结构8四边中加载的集中电阻9的电阻值为110Ω。开口缝隙金属平面结构10中的缝隙宽带w2为0.15mm，缝隙长度l为8mm，缝隙沿x轴方向的周期d为4mm。

[0020] （2）利用传统光刻工艺，在一张介电常数2.5，长宽为60mm×60mm，厚度为1.524mm的单面覆铜的微波PCB板（型号Arlon AD250）正面金属层上旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板的正面中心制作出一个金属方片结构作为微带贴片3。该微波PCB板（型号ArlonAD250）作为微带贴片的介质板4，微带贴片3的参数尺寸为：13.8mm×13.8mm。

[0021] （3）用一张长宽为60mm×60mm，厚度为6mm的金属铝板紧贴着微带贴片的介质板4作为天线的金属接地板3。金属接地板3距离正反两面不同反射率的人工结构材料1为
13mm。

[0022] 本发明的基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线中的具有不同反射率人工结构材料，通过时域有限差分法（FDTD）仿真结果如图1所示，该图中的纵坐标的单位为分贝，横坐标为频率，图中实线表示的是电场方向平行于x轴的线极化波的透过率，可见在11.5GHz附近有一定的透过率，而在6-10.5GHz的透过率小于-10分贝。部分反射表面在6-12GHz有较高的反射率，特别是在工作频率11.5GHz附近的反射率均大于-2.5分贝，可以用来构造高增益F-P谐振腔。吸波表面在6.5-11GHz的反射率小于-10分贝，可见在该频带对电磁波有很好的吸收性能。

[0023] 本发明的基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线，通过FDTD仿真结果如图2所示，该图中的纵坐标为回波损耗，横坐标为频率，在11.5GHz附近天线回波损耗小于-10分贝，天线可以正常工作。

[0024] 本发明的基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线和没有覆盖正反两面不同反射特性的周期性人工结构材料的天线，通过FDTD仿真结果如图3所示，该图中的纵坐标为天线增益，横坐标为角度，图中实线表示的是基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线E面的远场方向图；虚线为没有覆盖正反两面不同反射特性的周期性人工结构材料的天线E面远场方向图。可见，覆盖材料后天线增益从7分贝提高到了14分贝，同时波束宽度得到了缩减。图4中实线表示的是基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线H面的远场方向图；虚线为没有覆盖正反两面不同反射特性的周期性人工结构材料的天线H面远场方向图。

[0025] 本发明的基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线和没有覆盖正反两面不同反射特性的周期性人工结构材料的天线，通过FDTD仿真结果如图6所示，该图中的纵坐标为天线的RCS，横坐标为角度，图中实线表示的是基于人工电磁结构材料的高增益、低RCS平板天线的RCS；虚线为没有覆盖正反两面不同反射特性的周期性人工结构材料的天线RCS。可见，覆盖材料后天线的RCS在6-14GHz都得到了显著的缩减。

[0026] 本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。