申请/专利权人：西安电子科技大学;西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司

申请日：2019-03-24

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN109980359B

主分类号：H01Q15/24

分类号：H01Q15/24;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q1/38;H01Q1/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.07.30#实质审查的生效;2019.07.05#公开

摘要：本发明公开了一种基于极化转换表面的宽带低RCS天线，主要解决现有技术中天线散射特性较强的问题，其包括介质板1、极化转换表面2、金属地板3、金属贴片4和同轴金属柱馈电线5，极化转换表面和金属贴片印制介质板的上表面，金属地板印制在介质板的下表面，同轴金属柱馈电线位于距离金属贴片上，该极化转换表面2由无源谐振的极化转换单元按M×N的棋盘状周期式排列组成，每个极化转换单元是由两个位于中间的方形片状贴片21、两个位于顶点的方形片状贴片22、沿对角线的条带式贴片23和四条位于顶点的条带式贴片24组成，本发明减缩了雷达截面，提高散射效果，可用于低散射特性的雷达系统设计。

主权项：1.一种宽带雷达截面RCS减缩天线，包括介质板1、极化转换表面2金属地板3、金属贴片4和同轴金属柱馈电线5，极化转换表面2和金属贴片4印制介质板1的上表面，且呈方形内外分布，金属地板3印制在介质板1的下表面，同轴金属柱馈电线5位于金属贴片4上，其特征在于：所述极化转换表面2由无源谐振的极化转换单元按M×N的棋盘状周期式排列组成，M≥6，N≥6，每个极化转换单元是由两个位于中间的方形片状贴片21、两个位于顶点的方形片状贴片22、沿对角线的条带式贴片23和四条位于顶点的条带式贴片24组成，以实现雷达截面的减缩；所述极化转换表面2呈棋盘状周期排列印制在介质板1的上表面外围，金属贴片4印制在介质板1的上表面中心；其中两个位于中间的方形片状贴片21交错重叠置于极化转换单元的中心，两个沿对角线的条带式贴片23沿极化转换单元的对角线放置，其一端置于位于中间的方形片状贴片21的重叠处，每个沿对角线的条带式贴片23的另一端即末端左右各放置一个位于顶点的条带式贴片24，每个位于顶点的条带式贴片24与沿对角线的条带式贴片23的夹角都为80°，在两个位于顶点的条带式贴片24的重叠处放置一个位于顶点的方形片状贴片22；所述位于中间的方形片状贴片21，关于沿对角线的条带式贴片23对称；两个位于顶点的方形片状贴片22，且每个位于顶点的方形片状贴片关于对角线与其自身对称；沿对角线的条带式贴片23，其中心与介质板1的对角线重合。

全文数据：基于极化转换表面的宽带低RCS天线技术领域本发明属于天线技术领域，特别涉及一种宽带雷达截面RCS减缩天线，可用于低散射特性的雷达系统设计。背景技术随着通信技术的快速发展，天线的雷达截面减缩技术已成为当今研究的热点。而雷达截面RCS作为定量衡量天线散射性能的物理量，有效的控制和减缩天线的RCS成为优化设计具有弱散射性能雷达系统的重要研究内容。天线作为雷达系统中用于收发电磁信号的重要装置，其本身是一个具有强散射特性的结构。对于大多数雷达系统来说，如何控制和减缩天线的RCS成为了雷达系统设计的关键。传统减缩天线RCS的设计，包括有结构变形技术和雷达吸波材料覆层技术。其中：结构变形技术是通过对天线结构中不参与天线辐射的部分进行开槽或切除，从而有效减少天线在威胁角域内的散射。但由于其对天线本身外形结构的改变，通常会引起对天线工作的影响。雷达吸波材料覆层技术是通过将吸收的电磁能量转化为热能的形式进行消耗，从而减少天线的RCS。而该技术在吸收并消耗自由空间入射电磁能量的同时，对天线本身辐射的电磁能量也有所吸收，进而对天线的辐射性能造成影响。随着电磁超材料的问世，利用频率选择表面、电磁带隙结构、左手媒质、极化转换表面等超材料设计具有低RCS特性的天线，成了一种有效的方式。极化转换表面利用其可以形成反射相位相差180°的反射波，通过反射波的干涉相消作用实现RCS的减缩效果。2019年，TaoHong等人在IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters期刊上发表了一篇名为《RCSReductionandGainEnhancementfortheCircularlyPolarizedArraybyPolarizationConversionMetasurfaceCoating》的论文，该论文提出了一种由双箭条带式极化转换单元组成的极化转换表面，并介绍了该极化转换表面在天线领域的实际应用。文中将条带式极化转换表面单元棋盘状排列在微带天线周围，仿真结果表明：加载极化转换表面的天线与参考天线相比，天线的辐射性能未受影响，而雷达截面在10.5-35.1GHz的频带范围内有大于4.8dB的RCS减缩，但是仅在10.90-13.10GHz、15.70-19.00GHz和27.50-33.00GHz三个频段内有大于10dB的RCS减缩效果，在10.5-10.9GHz、13.1-15.7GHz和19-27.5GHz频带内RCS减缩效果均小于10dB，无法实现良好的天线散射效果。发明内容本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于极化转换表面的宽带低RCS天线，以在整个频段内实现大于10dB的RCS减缩效果，有效降低了天线的散射性能。为实现上述目的，本发明基于极化转换表面的宽带低RCS天线，包括包括介质板、极化转换表面、金属地板、金属贴片和同轴金属柱馈电线，极化转换表面和金属贴片印制介质板的上表面，且呈方形内外分布，金属地板印制在介质板的下表面，同轴金属柱馈电线位于金属贴片上，其特征在于：所述极化转换表面由无源谐振的极化转换单元按M×N的棋盘状周期式排列组成，M≥6，N≥6，每个极化转换单元是由两个位于中间的方形片状贴片、两个位于顶点的方形片状贴片、沿对角线的条带式贴片和四条位于顶点的条带式贴片组成，以实现雷达截面的减缩。进一步，所述两个方形片状贴片交错重叠置于极化转换单元的中心，两个条带式贴片沿极化转换单元的对角线置于方形片状贴片的重叠处，每个条带式贴片的末端以80°的张角左右各放置一个条带式贴片，在两个条带式贴片的重叠处放置一个方形片状贴片。本发明与现有技术相比，具有如下优点：1、本发明中的极化转换表面的单元，由于采用条带式与片状分形式一体化的设计结构，实现了较宽频带内的极化转换效果。2、本发明通过将该一体化结构的极化转换单元按棋盘状周期排列于天线周围，可以将入射电磁波的相位转换±90°，使相位差为180°的反射电磁波互相抵消，从而利用无源对消的方式实现了天线宽频带的雷达截面减缩效果。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中的极化转换单元结构示意图；图3是本发明天线和参考天线在辐射、接收状态下的反射系数幅度对比图；图4是本发明天线和参考天线在辐射、接收状态下的yoz面增益对比图；图5是本发明天线和参考天线在辐射、接收状态下的xoz面增益对比图；图6是本发明天线和参考天线的单站雷达截面对比图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实例和效果作进一步描述。参照图1，本实例包括介质板1、极化转换表面2、金属地板3、金属贴片4和同轴金属柱馈电线5，所述极化转换表面2呈棋盘状周期排列印制在介质板1的上表面外围，金属贴片4印制在介质板1的上表面中心，金属地板3印制在介质板1的下表面，同轴金属柱馈电线5位于距离金属贴片4中心的2.4mm处。介质板1采用78mm×78mm×3mm的矩形板材，其相对介电常数ε'＝2.65；金属贴片4的边长c为8.95mm-9.05mm，本实例取但不限于c＝9mm，该金属贴片4中心开有金属通孔，用于馈电；金属地板3，采用导电率为σ＝5.8×107Sm铜材料，尺寸为78mm×78mm；数十个极化转换单元按间距7.8mm均匀排布在天线上表面，本实例取但不限于84个极化转换单元。参照图2，极化转换表面2由无源谐振的极化转换单元按M×N的棋盘状周期式排列组成，M≥6，N≥6，每个极化转换单元是由两个位于中间的方形片状贴片21、两个位于顶点的方形片状贴片22、沿对角线的条带式贴片23和四条位于顶点的条带式贴片24组成。其中两个方形片状贴片21交错重叠置于极化转换单元的中心，两个条带式贴片23沿极化转换单元的对角线放置，其一端置于方形片状贴片21的重叠处，每个沿对角线放置的条带式贴片23的另一端即末端左右各放置一个条带式贴片24，每个条带式贴片24与沿对角线放置的条带式贴片23的夹角都为80°，在两个条带式贴片24的重叠处放置一个方形片状贴片22。中间的方形片状贴片21，其边长a为1.87mm-1.93mm，本实例取但不限于a＝1.9mm，且关于沿对角线的条带式贴片23对称；两个位于顶点的方形片状贴片22，其边长b为0.85mm-0.95mm，本实例取但不限于b＝0.9mm，且每个方形片状贴片关于对角线与其自身对称；沿对角线的条带式贴片23，其宽度W1为0.48mm-0.52mm，长度L1为5.84mm-5.92mm，本实例取但不限于W1＝0.9mm，L1＝5.9mm，且其中心与介质板1的对角线重合；四条位于顶点的条带式贴片24，其宽度W2为0.52mm-0.56mm，本实例取但不限于W2＝0.54mm；金属贴片4的边长c＝9mm，其中心开有金属通孔。本发明的效果可结合以下仿真结果作进一步说明：1、仿真内容与结果仿真1，利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例中本发明天线和参考天线在辐射、接收状态下的反射系数进行仿真计算，结果如图3所示。其中参考天线的工作频点为8.95GHz，本发明天线的工作频点为9.05GHz，以S11≤-10dB为标准，参考天线的工作频带为8.32-9.80GHz，本发明天线的工作频带为8.31-10.0GHz，两者得到的反射系数基本一致。从图3可知，本发明天线与参考天线相比天线的谐振点和工作带宽都基本一致。仿真2，利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例中本发明天线和参考天线在辐射、接收状态下的yoz面增益进行仿真计算，结果如图4所示。由图4可知，本实例中的本发明天线和参考天线在yoz面的增益曲线差距较小，说明本发明中的可重构极化转换表面在辐射、接收状态下作为天线的金属反射板对天线的yoz面辐射方向图影响很小；本发明天线和参考天线在法向的增益大小分别为6.47dB和6.38dB，本发明增益提高了1.5％；本发明天线和参考天线在xoy面的方向图基本一致，且两者的后瓣也得到了有效的一致。仿真3，用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例中本发明天线和参考天线在辐射、接收状态下的xoz面增益进行仿真计算，结果如图5所示。由图5可知，本发明天线和参考天线在yoz面的增益曲线差距较小，且方向图关于辐射方向对称，辐射特性良好，说明本发明中的可重构极化转换表面在辐射、接收状态下作为天线的金属反射板对天线的yoz面辐射方向图影响很小。本发明天线和参考天线在法向的增益大小分别为6.47dB和6.38dB，本发明增益提高了1.5％；本发明天线和参考天线在xoy面的方向图基本一致，且两者后瓣得到了有效的一致。仿真4，利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例中本发明天线和参考天线的单站雷达截面进行仿真计算，结果如图6所示。由图6可知，本实例中的本发明天线与参考天线相比，本发明能在7.5-22.3GHz的宽频带内实现雷达截面减缩，且基本在8.07-20.89GHz频带范围内雷达截面减缩量大于10dB，说明本发明中的可重构极化转换表面可以大幅度地减缩天线的雷达截面。

权利要求：1.一种宽带雷达截面RCS减缩天线，包括介质板1、极化转换表面2金属地板3、金属贴片4和同轴金属柱馈电线5，极化转换表面2和金属贴片4印制介质板1的上表面，且呈方形内外分布，金属地板3印制在介质板1的下表面，同轴金属柱馈电线5位于金属贴片4上，其特征在于：所述极化转换表面2由无源谐振的极化转换单元按M×N的棋盘状周期式排列组成，M≥6，N≥6，每个极化转换单元是由两个位于中间的方形片状贴片21、两个位于顶点的方形片状贴片22、沿对角线的条带式贴片23和四条位于顶点的条带式贴片24组成，以实现雷达截面的减缩。2.根据要求1所述的天线，其特征在于：两个方形片状贴片21交错重叠置于极化转换单元的中心，两个条带式贴片23沿极化转换单元的对角线置于方形片状贴片21的重叠处，每个条带式贴片23的末端以80°的张角左右各放置一个条带式贴片24，在两个条带式贴片24的重叠处放置一个方形片状贴片22。3.根据要求1所述的天线，其特征在于：中间的方形片状贴片21，其边长a为1.87mm-1.93mm，且关于沿对角线的条带式贴片23对称。4.根据要求1所述的天线，其特征在于：两个位于顶点的方形片状贴片22，其边长b为0.85mm-0.95mm，且每个方形片状贴片关于对角线与其自身对称。5.根据要求1所述的天线，其特征在于：沿对角线的条带式贴片23，其宽度W1为0.48mm-0.52mm，长度L1为5.84mm-5.92mm，且其中心与介质板1的对角线重合。6.根据要求1所述的天线，其特征在于：四条位于顶点的条带式贴片24，其宽度W2为0.52mm-0.56mm，且与沿对角线的条形贴片23夹角为β＝80°。7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：金属贴片4，其边长c为8.95mm-9.05mm，中心开有金属通孔。8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：介质板1，其厚度d为2.9mm-3.1mm，采用相对介电常数ε'＝2.65的F4B材料。9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：金属地板3，采用导电率为σ＝5.8×107Sm铜材料。10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述M×N个无源谐振单元的排列周期为7.8mm。

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