一种具有高辐射效率和低散射特性的相控阵天线

摘要

本发明公开了一种具有高辐射效率和低散射特性的贴片相控阵天线，属于天线工程技术领域与雷达隐身技术领域。本发明采用叠层贴片增大天线带宽；通过不同层的馈电贴片和匹配电路及设置在其间的接地板，增大电路与天线的隔离度，使二者可以独立设计；从相控阵天线散射机理出发求解在带内实现零后向散射的最优负载阻抗曲线，最后进行对应匹配电路的拟合设计，使天线带内单站RCS得到显著缩减。在单元选取与设计中，选取结构项散射较低的天线单元，或进行适当的结构项散射缩减，可以确保天线在不恶化驻波、不降低辐射效率的前提下，实现单站RCS的宽带缩减。

权利要求

1.一种具有高辐射效率和低散射特性的贴片相控阵天线，该天线包括从下到上依次层叠的：金属地板、匹配电路层、耦合馈电层、辐射贴片层；

所述辐射贴片层包括：第一辐射贴片、第一PCB板、第二辐射贴片、第二PCB板；所述第一辐射贴片设置于第一PCB板的上表面；所述第二辐射贴片设置于第二PCB板的上表面，第一PCB板重叠于第二PCB板上；

所述耦合馈电层包括：馈电贴片、第三PCB板、第一接地板、第四PCB板；第三PCB板设置于第四PCB板上；所述馈电贴片为矩形微带线，设置在第三PCB板上表面；所述第一接地板印制于第四PCB板上表面，中心位置开设有“工”字型耦合槽，该“工”字型耦合槽为上下左右都对称的结构，“工”字型耦合槽中部结构的轴线与辐射贴片层中第一辐射贴片的轴线垂直；

所述匹配电路层包括：第二接地板、第五PCB板、第六PCB板、匹配电路；第五PCB板设置于第六PCB板上；所述第二接地板印制于第五PCB板上表面，所述匹配电路设置于第六PCB板的上表面；所述匹配电路包括由不同长宽带状线实现的阻抗匹配器、开路枝节和短路枝节，分别等效分布式电阻、电容和电感；所述匹配电路始端通过金属化过孔连接耦合馈电层中的馈电贴片，末端通过金属化过孔连接SMA接头内芯，SMA接头内芯穿过金属地板上的通孔时与金属地板保持电隔离；所述匹配电路中的短路枝节末端通过第一短路针连接第二接地板，通过第二短路针连接金属地板。

说明书

一种具有高辐射效率和低散射特性的相控阵天线

技术领域

[0001] 本发明属于天线工程技术领域与雷达隐身技术领域，涉及一种具有高辐射效率和低后向散射的相控阵天线。

背景技术

[0002] 飞机隐身是现代化电子战的重要课题，而机载雷达中的相控阵天线会产生强烈的散射，已成为进一步提高飞机隐身性能的最大障碍，因此相控阵天线的RCS(雷达散射截面)
缩减至关重要。目前主流的天线RCS缩减方法有以下几种：

[0003] 第一，加载材料或超材料。如在文献“Development of a Low Radar Cross Section Antenna With Band‑Notched Absorber”中提出了一种雷达吸波超材料，通过材
料吸收掉散射能量，该方法通常伴随天线增益和效率的损失，尤其是用于带内RCS缩减时，
因为在接收状态下可以吸收散射能量的同时，吸收式材料也可以吸收辐射状态下的辐射能
量；又如文献“A Low‑Profile Wideband Tightly Coupled Dipole Array With Reduced 
Scattering Using Polarization Conversion Metamaterial”中，在地面上铺设对称的极
化转换材料，使来自地面的散射波在来波方向上相互抵消。超材料的铺设需要一定的空间，
并不适用于所有天线结构，尤其是紧密排布的相控阵天线。

[0004] 第二，天线结构赋形。如在文献“Design of Vivaldi Antenna With Wideband Radar Cross Section Reduction”中，通过挖掉Vivaldi天线臂上的部分对辐射特性影响
不大的金属结构，降低其带内RCS，但Vivaldi天线本身不带地即可实现单向辐射，大部分相
控阵天线都具有完整的金属地板，而该方法对于处理来自地面散射的效果有限。

[0005] 第三，优化天线驻波。如文献“An Ultra‑Wideband Tightly Coupled Dipole Array Co‑Designed With Low Scattering Characteristics”中通过加载宽角匹配层，在
优化驻波的同时，降低相控阵天线模式项散射场。然而，理论上天线的散射场为模式项和结
构项散射场的矢量和，单独降低天线驻波并不能保证总散射场的缩减，因此该方法只适用
于低结构项散射的天线。

[0006] 方法一、二针对的是天线的结构项散射缩减，方法三针对的是天线的模式项散射缩减，都比较片面，应用场景有限。在文献“Finite Antenna Arrays and FSS”中，提出了通
过改变天线负载，从而调整天线反射波及由此产生的模式项散射场，使模式项和结构项散
射场在来波方向抵消，实现带内单站RCS缩减的方法，然而一方面工程中可以使用的负载均
为不频变的实阻抗(常用50Ω)，而不同频点需要的最优负载阻抗不同，因此该方法仅适用
于单频点或窄带RCS缩减，另一方面该方法往往意味着恶化驻波及由此带来的低增益、低系
统效率。

[0007] 针对以上问题，本发明提出了一种通过加载宽带匹配网络，在不恶化天线驻波、不降低天线辐射效率的前提下，实现带内RCS缩减的方法，并具体设计了一种具有高辐射效
率、低后向散射的相控阵天线。

发明内容

[0008] 本发明在背景技术的基础上，提出一种X波段1×32E面线阵，采用PCB加工工艺，通过电路层加载宽带匹配网络，天线在带内维持‑10dB以下反射系数的同时，RCS相比于直接
采用50Ω负载馈电的相控阵天线，带内法向单站RCS普遍缩减了7dB以上。

[0009] 本发明采用的技术方案为：一种具有高辐射效率和低散射特性的贴片相控阵天线，该天线包括从下到上依次层叠的：金属地板、匹配电路层、耦合馈电层、辐射贴片层；

[0010] 所述辐射贴片层包括：第一辐射贴片、第一PCB板、第二辐射贴片、第二PCB板；所述第一辐射贴片设置于第一PCB板的上表面；所述第二辐射贴片设置于第二PCB板的上表面，
第一PCB板重叠于第二PCB板上；

[0011] 所述耦合馈电层包括：馈电贴片、第三PCB板、第一接地板、第四PCB板；第三PCB板设置于第四PCB板上；所述馈电贴片为矩形微带线，设置在第三PCB板上表面；所述第一接地
板印制于第四PCB板上表面，中心位置开设有“工”字型耦合槽，该“工”字型耦合槽为上下左
右都对称的结构，“工”字型耦合槽中部结构的轴线与辐射贴片层中第一辐射贴片的轴线垂
直；

[0012] 所述匹配电路层包括：第二接地板、第五PCB板、第六PCB板、匹配电路；第五PCB板设置于第六PCB板上；所述第二接地板印制于第五PCB板上表面，所述匹配电路设置于第六
PCB板的上表面；所述匹配电路包括由不同长宽带状线实现的阻抗匹配器、开路枝节和短路
枝节，分别等效分布式电阻、电容和电感；所述匹配电路始端通过金属化过孔连接耦合馈电
层中的馈电贴片，末端通过金属化过孔连接SMA接头内芯，SMA接头内芯穿过金属地板上的
通孔时与金属地板保持电隔离；所述匹配电路中的短路枝节末端通过第一短路针连接第二
接地板，通过第二短路针连接金属地板。

[0013] 本发明采用叠层贴片增大天线带宽；通过不同层的馈电贴片和匹配电路及设置在其间的接地板，增大电路与天线的隔离度，使二者可以独立设计；从相控阵天线散射机理出
发求解在带内实现零后向散射的最优负载阻抗曲线，最后进行对应匹配电路的拟合设计，
使天线带内单站RCS得到显著缩减。在单元选取与设计中，选取结构项散射较低的天线单
元，或进行适当的结构项散射缩减，可以确保天线在不恶化驻波、不降低辐射效率的前提
下，实现单站RCS的宽带缩减。

附图说明

[0014] 图1为本发明实施例1中的天线单元多层结构示意图。

[0015] 图2为本发明实施例1中最优负载阻抗曲线、拟合的RLC电路输出阻抗曲线和真实匹配电路所实现的阻抗曲线。

[0016] 图3为本发明实施例1中天线单元及参考天线单元(端接50Ω理想负载)的驻波。

[0017] 图4为本发明实施例1中天线单元及参考天线单元、同尺寸理想金属板的法向单站RCS。

[0018] 图5为本发明实施例2中1×32E面相控阵天线、参考天线阵(所有单元端接50Ω理想负载)和理想同尺寸金属板的法向方向单站RCS。

具体实施方式

[0019] 实施例1：低散射E面相控阵天线单元

[0020] 本实施例中天线单元结构见图1，单元尺寸16×16mm2(分别为x、y方向)，工作频率8～10GHz，天线从上到下分四层，依次为：辐射贴片层、耦合馈电层、匹配电路层、金属地板；
天线总共有六层PCB板，其材质都为Rogers 5880，介电常数2.2，第一～第六PCB板(1～6)厚
度依次为：1.5mm、1.5mm、0.5mm、1.5mm、0.5mm、1.5mm；金属地板厚度为13mm。

[0021] 辐射贴片层包括：第一辐射贴片11、第一PCB板1、第二辐射贴片21、第二PCB板2。第一辐射贴片11为矩形贴片，设置于第一PCB板1的上表面中心；第二辐射贴片21为矩形贴片，
设置于第二PCB板2的上表面中心。通过叠层贴片可以提高天线工作带宽。

[0022] 耦合馈电层包括：馈电贴片31、第一微带线转带状线金属化过孔32、第三PCB板3、第一接地板41、第二微带线转带状线金属化过孔42、工字型耦合槽43、第四PCB板4；馈电贴
片31设置在第三PCB板3上表面，第一微带线转带状线金属化过孔32穿过第三PCB板3；第二
微带线转带状线金属化过孔42穿过第四PCB板4；上层接地板41设置在第四PCB板4上表面，
其中心设置有工字型耦合槽43；金属化过孔32、42与下层金属化过孔52位于同一水平方向
位置，作为微带线转带状线的探针。天线通过馈电贴片31、接地板41上的工字型耦合槽实现
电磁耦合馈电。

[0023] 匹配电路层包括：第二接地板51、第三微带线转带状线金属化过孔52、第一短路针54、第五PCB板5、带状线匹配贴片61、第二短路针64、带状线转同轴线金属化过孔65、第六
PCB板6；第二接地板51设置在第五PCB板5上表面，第三微带线转带状线金属化过孔52穿过
第五PCB板5；匹配贴片61设置在第六PCB板6上表面，带状线转同轴线金属化过孔65穿过第
六PCB板6；短路针54、64分别为贯穿PCB板5、6的金属化过孔，位于同一水平方向位置，构成
短路枝节；匹配电路由分布式电阻、电容、电感元件构成，分别通过带状线匹配枝节、开路枝
节、短路枝节实现。第二接地板51作为上层微带线与下层带状线共同地的同时，将耦合馈电
层与匹配电路层隔开，可以实现良好的天线与电路隔离，达到分开设计天线与匹配电路的
目的。

[0024] 金属地板7内设置有通孔75，与金属化过孔65位于同一水平方向位置，SMA接头内芯穿过通孔75、金属化过孔65，给天线馈电。

[0025] 通过天线的辐射场、输入阻抗、结构项散射场的仿真结果，计算其最优负载阻抗，实现法向方向零后向散射。在带内最优负载阻抗曲线见图2，采用并联RLC电路进行阻抗拟
合。经过最小二乘法拟合的并联RLC电路参数为R＝40.5Ω、L＝0.31nH、C＝1pF，在匹配电路
设计中采用开路、短路带状线短枝节实现分布式等效电容、电感，采用四分之一波长阻抗变
换器实现等效电阻，并不使用有耗电阻元件，从而保证辐射效率不降低。图2中还给出了理
想电路的阻抗曲线和最终在仿真中实现的分布参数电路阻抗曲线，可见二者几乎一致，在
带内接近最优负载阻抗曲线，可见本实施例中的匹配电路可以实现预期的效果。

[0026] 如图3为直接采用50Ω理想端口馈电以及本实施例中的相控阵天线单元的驻波，可见加载了所设计的匹配电路后驻波有所恶化，但带内在‑10dB以下，可以良好地工作；如
图4为二者在法向方向上的单站RCS，可见本实施例中天线单元的单站RCS在带内大部分频
段相比于采用50Ω理想端口馈电的天线单元缩减了7dB以上，比同尺寸的地面散射典型值
低15dB以上；因此该天线单元在保持良好驻波和辐射效率的前提下实现了显著的带内法向
单站RCS缩减。实施例2：低散射1×32E面相控阵天线

[0027] 本实施例采用实施例1中的天线单元，组成E面1×32线阵，由32个天线单元水平排布与天线E面(xoz)面。

[0028] 相控阵天线法向方向单站RCS见图5，可见本实施例中相控阵天线实现了与实施例1中天线单元一样的缩减效果：单站RCS在带内大部分频段相比于采用50Ω理想端口馈电的
天线单元缩减了7dB以上，比同尺寸的地面散射典型值低15dB以上。

[0029] 综上所述，本发明提出了一种缩减相控阵天线带内单站RCS的方法，基于该方法设计出的天线单元及阵列，并不会显著恶化天线驻波，也不会引入额外的辐射损耗，可以在维
持良好辐射特性的前提下显著缩减天线RCS。本发明内容详细介绍了一个相控阵天线单元
和一个E面1×32线阵的实施例，并选取了并联RLC电路作为匹配电路，采用最小二乘法进行
阻抗拟合，但上述描述不应被认为是本发明的限制。