一种基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线

摘要

本发明公开了一种基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线，它包含印制在薄介质层上的辐射单元层，在辐射单元层中沿着偶极子臂的方向在偶极子末端通过交指加强与相邻单元之间的电容耦合；采用多层阻抗变换巴伦结构为偶极子馈电。本发明同时兼顾了相控阵天线在超宽带、宽角波束扫描、低RCS上的要求，提出的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线尤其适合新一代隐身载体平台上的应用。

权利要求

1.一种基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于，它包括周期排布的具有强电容耦合效应的印刷偶极子天线单元构成的辐射单元(101)，单元间距约为最高频处的半个波长；承载印刷贴片的介质层(104)；为偶极子两臂进行馈电的多层阻抗变化巴伦结构(102)；一级一分二功分器(103)；承载印刷的介质板(105)；功分器地板(106)；相控阵天线的反射地板(107)，反射地板(107)到辐射单元层(101)之间的距离约为最高频处的四分之一波长；宽角阻抗匹配层(108)；为由巴伦(102)和功分器(103)组成的馈电结构进行射频能量输入的微波同轴电缆接口(109)以及对整个相控阵天线系统起结构支撑作用的聚苯乙烯泡沫填充材料(110)。

2.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线，其特征还在于，为了降低天线剖面高度，削减天线散射特性中的结构散射项，采用了新颖的多层结构的阻抗变换巴伦为偶极子两臂进行馈电，它包括：印制不平衡-平衡阻抗变换带线的微波介质基板(1021)；带线(1022)印制在微波介质基板(1021)的一侧，中间层的带线(1023)印制在其中一块微波介质基板(1021)的另一侧，两块介质基板之间通过一层半固化片(1024)粘合。

3.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线，其特征还在于，为了进一步降低RCS，特别是天线散射特性中的模式散射项，在天线辐射单元层(101)上方增加了一层阻抗匹配层(108)。

说明书

一种基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线

技术领域

[0001] 本发明属于天线工程技术领域，特别涉及到低RCS特性的宽带宽角扫描相控阵天线系统。基于一种强互耦效应思想，本发明提出并设计的同时具有超宽工作频带、宽波束扫描角、低RCS等特性的相控阵天线，特别适用于新一代隐身载体平台。

背景技术

[0002] 天线作为无线系统中不可缺少的重要部件，其主要作用是作为连接射频输入端口与自由空间的匹配网络，实现在特定方向上接收和发射电磁波能量的目的，因此天线的性能决定整个无线通信系统的性能。由于探测与高分辨率成像的需求，现代雷达系统工作带宽日益提升。相控阵天线由于具有波束扫描速度快、跟踪精度高以及抗干扰能力强等优点，是现代雷达系统的主要天线形式，也是新一代作战平台无线电子系统不可或缺的天线形式。随着空间技术的发展，为了使得雷达在更远的距离上发现和跟踪目标，各种军事电子系统对相控阵天线的宽频带、宽角扫描特性提出了更高的要求。

[0003] 传统的相控阵天线设计由于受到阵元间互耦等因素的影响导致在拓宽频带以及宽角扫描上有很大的局限性。近年来，国际阵列天线研究领域出现了一种基于强互耦效应的宽带相控阵天线，它是由Munk等人在美国专利号为6512487的专利中提出的“宽带相控阵及其相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)。Munk披露的相控阵天线辐射单元是一种完全平面化的、具有极宽工作带宽的特性。Munk在相邻偶极子的末端通过交指连接从而引入了强电容耦合分量，这一强电容耦合分量刚好可以用来补偿紧密排列的偶极子单元固有的电感分量，因此当相控阵天线工作频率发生变化时，天线单元的输入阻抗以及辐射特性随频率变化缓慢，从而展现出了极宽的频带特性。然而，基于这种强互耦思想在设计宽带宽角扫描相控阵时也存在一些自身的不足：Munk等人的强电容耦合偶极子相控阵需要使用两层以上的微波介质板材，并且往往要求充当宽角扫描阻抗匹配层的介质板材具有与工作波长成正比的厚度，因此该实现方案不便于复杂平台载体上共形宽带相控阵天线设计。

[0004] 新一代作战载体平台不仅对天线系统本身提出了超宽带、宽角波束扫描的要求，同时也将天线系统的隐身性能作为了当前武器装备的重要研制指标。近年来随着隐身技术的不断发展，具有隐身功能要求的载体平台本身的电磁散射或RCS(Radar Cross Section，雷达散射截面)已越来越低。天线作为有源目标，在自身工作时必须保证能正常收发电磁波，不能被遮挡或覆盖，常规的隐身方法(如整形技术、吸波材料技术等)无法简单的在天线隐身中直接得以应用。平台上的天线已经成为其最重要散射源。因此当前雷达天线系统的RCS控制已成为隐身技术中亟待解决的问题。

[0005] 以往人们对天线的RCS缩减研究主要集中在单元天线领域，也提出了许多的方法，但鲜有涉及到同时兼顾超宽带、宽角波束扫描、低RCS这三大挑战的相控阵天线设计的报道。例如申请号为201110321595.7的中国专利“基于完全吸收器的低RCS微带天线”中提出了一种基于吸收体的吸波特性而设计出的微带天线，加载完全吸收器之后，可使微带天线的RCS减少8-15dB。但是，微带天线本身工作带宽窄，难以满足现代雷达系统对宽频带工作的要求，而且也难以实现宽角扫描。申请号为200620166938.1的中国专利“一种3.1～10.6GHz Vivaldi超宽带天线”可以解决宽频带的要求，然而它的剖面高度很高，难以满足复杂平台载体上关于共形宽带相控阵天线的设计要求，同时它的RCS也很高，不利于隐身设计。

发明内容

[0006] 本发明鉴于上述技术背景而实现，在Munk关于强互耦效应宽带相控阵技术的基础之上进一步提出了低RCS特性的宽带宽角扫描相控阵天线形式，可以全面解决背景技术中提到的各项技术难题。

[0007] 包括但不仅限于上述设计目的、特征以及优势的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线包括一组印刷在薄介质层(厚度10mil，相对介电常数εr＝2.2)上的紧密排列的偶极子阵列，一组对偶极子的两臂进行馈电的多层阻抗变换巴伦，一块厚度为2mm的地板以及一块放置在辐射单元层上方的阻抗匹配层。上述偶极子阵列相邻单元之间分别包含一组馈电端口、一组由偶极子单元末端延长了的具有强电容效应的交指电容，上述偶极子阵列放置于反射地板上方约四分之一波长处，地板与偶极子阵列之间完全由泡沫聚苯乙烯材料填充，为整个相控阵天线起到结构支撑作用。

[0008] 该阵列采用的是多层结构的阻抗变换巴伦为偶极子两臂进行馈电，该巴伦可以完成100欧姆到偶极子输入端的阻抗变换，然后将两个偶极子单元组合为一个1×2的子阵，再用功分器实现50欧姆到100欧姆的阻抗变换，一方面实现了阻抗变换的目的，另一方面还减少了T/R组件的数量。不仅如此，为了降低实施难度，将功分器和多层阻抗变换巴伦的下层制作在一块介质板上，然后多层阻抗变换巴伦的上下两层用半固化片粘合。

[0009] 本发明的创新之处在于：通过采取这种新颖的多层结构阻抗变换巴伦为偶极子两臂进行馈电，相对于Vivaldi等传统的超宽带相控阵天线形式来说，显著降低了天线剖面高度，有利于削减天线散射特性中的结构散射项。此外，为了增大该相控阵天线的扫描角度，同时也为了减轻其阻抗随扫描角度的变化，在本发明中于天线辐射单元层上方增加了一层阻抗匹配层，结果证实这个行为对整个相控阵列的散射特性也是十分有益的(这可以从附图说明中的图5和图7看出)，它显著地改善了天线散射特性中的模式散射项，使得其在全频段的低RCS特性上具有更大优势。

[0010] 综上所述，本发明的有益效果是：提出了一种基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线形式，它在4-16GHz(4倍频程)宽频带范围内实现了±55°宽角扫描，与Vivaldi等传统的超宽带相控阵天线形式相比，具有显著的低RCS特性，从而解决了在针对超宽带、宽角波束扫描、低RCS这三大挑战的相控阵天线设计上的难题。

附图说明

[0011] 在附图中，相同的参考标记通常指示相同的、功能相似的和/或结构相似的元件。在附图中，凡有下标的的参考标记表示该元件是其对应的独立无下标参考标记的子元件。
本发明将按参考附图逐一对其结构特点、功能特性进行详细描述，其中：

[0012] 图1是一个基于强互耦效应的6×6宽带宽角扫描相控阵天线的立体图。

[0013] 其中，101是加强了单元间电容耦合效应的紧密排列的偶极子单元，它印刷在薄介质层104上(厚度10mil，相对介电常数εr＝2.2)；102是为偶极子两臂进行馈电的多层阻抗变化巴伦结构；103是一级一分二功分器，它印制在介质板105之上；106是功分器的地板；107是相控阵天线的反射地板；108是一层宽角阻抗匹配层；109是为由102和103组成的馈电结构进行射频能量输入的微波同轴电缆接口；110是对整个相控阵天线系统起结构支撑作用的聚苯乙烯泡沫填充材料。

[0014] 图2是图1中一个周期单元的结构图，图1所述的相控阵天线包含一系列呈周期性排列的这种结构。每一个这样的周期单元均包含一个偶极子单元101，阻抗变换结构102，功分器103，功分器地板106，天线级反射地板107，为由102和103组成的馈电结构进行射频能量输入的微波同轴电缆接口，以及薄介质板104和105，宽角阻抗匹配层108，起结构支撑作用的聚苯乙烯泡沫填充材料110。

[0015] 图3是对偶极子两臂进行馈电的多层阻抗变换巴伦结构102的爆炸图。其中1021是印制不平衡-平衡阻抗变换带线的微波介质基板，带线1022印制在微波介质基板1021的一侧，中间层的带线1023印制在其中一块微波介质基板1021的另一侧，两块介质基板之间通过一层半固化片1024粘合。这里中间层的带线1023直接与功分器103相连，与之相应的微波介质基板1021和印制功分器103的介质板105制作在一块介质板上，这样可以降低天线组装难度。中间层的带线1023将能量耦合至带线1022，然后对偶极子的两臂进行馈电。

[0016] 图4是具体实施例1在E面扫描时的驻波比结果图。其中，图4(a)描述的是具体实施例1在带有阻抗匹配层的情况下E面扫描时的驻波比；图4(b)描述的是具体实施例1在不带有阻抗匹配层的情况下E面扫描时的驻波比。可见，适当地添加一层阻抗匹配层对天线扫描特性是有益的，该实施例可以在4:1的工作带宽内进行宽角扫描。

[0017] 图5是具体实施例1在同极化波垂直入射时的单站RCS结果图，同时也给出了在具体实施例1不带有阻抗匹配层的情况下同极化波垂直入射时的单站RCS结果图，也一并给出了同面积大的金属平板在相同性质的平面波入射下的单站RCS结果图。可见，按具体实施例1研制的宽带宽角扫描相控阵具有良好的低散射特性。

[0018] 图6是具体实施例2在中心频率处0°、30°、55°扫描时的辐射方向图。可见，按具体实施例2研制的宽带宽角扫描相控阵具有良好的宽角扫描特性。

[0019] 图7是具体实施例2在同极化波垂直入射时的单站RCS结果图，同时也给出了在具体实施例2不带有阻抗匹配层的情况下同极化波垂直入射时的单站RCS结果图，也一并给出了同面积大的金属平板在相同性质的平面波入射下的单站RCS结果图。可见，按具体实施例2研制的宽带宽角扫描相控阵具有良好的低散射特性。

[0020] 图8是具体实施例2同参考天线(一款具有相同工作频带、相同扫描角、相同孔径大小的Vivaldi阵列)在同极化波垂直入射时的单站RCS对比图。可见，按具体实施例2研制的宽带宽角扫描相控阵具有良好的低散射特性。

具体实施方式

[0021] 实施例1

[0022] 参照图2所示的单元结构，本实施例的基于强互耦效应的低RCS宽带宽角扫描相控阵天线100由交指偶极子贴片单元构成，采用周期边界条件模拟本发明在无限大阵列环境下的仿真。本发明的天线单元结构描述如下：印刷在介质层104(厚度10mil,相对介电常数εr＝2.2)上的交指偶极子单元101，偶极子单元101的两臂通过多层阻抗变化巴伦102进行馈电，其一端与偶极子单元相连，一端通过反射级地板107和馈电巴伦102的中间层带线1023与功分器103相连，以及对由102和103组成的馈电结构进行射频能量输入的微波同轴电缆接口。介质层104与反射级地板107之间的距离约为最高频处的四分之一波长，偶极子单元101间距约为最高频处半个波长；介质层104与反射地板107之间完全由聚苯乙烯泡沫
110填充。当然，熟知本研究领域的技术人员可以采用任何可以支撑天线结构的材料来取代本实施例采用的聚苯乙烯泡沫110；阻抗匹配层108位于在介质层104上方。

[0023] 上述基于强电容耦合的宽带相控阵天线100的结构简单，无需像传统宽带偶极子相控阵设计一样使用多种不同厚度、不同介电常数的微波介质板材，因此从某种意义上降低了设计难度。由于天线最高可以工作在Ku波段，天线剖面高度较低，采取将功分器103和馈电巴伦102组成的馈电结构制作在一块双层介质板上的方式，可以更加易于天线后期的组装。通过在天线上方加一层阻抗匹配层，可以同时满足宽带宽角扫描相控阵的低散射特性的要求。

[0024] 图4～图5给出了本实施例1的驻波特性和散射特性，其中从图4可见，本实施例1的宽带相控阵至少具有4:1的阻抗带宽；从图5可见，本实施例1的宽带宽角扫描相控阵具有良好的低散射特性

[0025] 实施例2：

[0026] 具体地，将每个周期单元沿着阵面二维方向分别延伸，即可构成图1中的6×6低RCS宽带宽角扫描相控阵天线。其他结构与元件同实施例1中的详细描述。

[0027] 图6～图8给出了本实施例2的辐射方向图与散射特性结果。其中从图6可见，该阵列在不同的扫描角度上具有稳定的波束指向，扫描时的辐射特性良好；图7给出的是本实施例2研制的强互耦宽带相控阵与不带阻抗匹配层的强互耦宽带相控阵的单站RCS对比图，可见，本实施例2研制的宽带宽角扫描相控阵具有良好的低散射特性；图8给出的是本实施例2同参考天线(一款具有相同工作频带、相同扫描角、相同孔径大小的Vivaldi阵列)的单站RCS对比图。可见，本实施例2研制的宽带宽角扫描相控阵具有良好的低散射特性。

[0028] 前面已经描述本发明的多个实施例，应该理解他们只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。本发明的宽度和范围不应当局限于任何上述的示例性实施例。