一种可重构低RCS圆极化天线阵列

一种可重构低rcs圆极化天线阵列
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及天线技术领域中的一种可重构低rcs圆极化天线阵列。


背景技术：

2.雷达是一种最常见的探测手段。在探测过程中，雷达发射的电磁波若遇到障碍物会被反射。雷达对外界的探测就是通过接收并处理反射电磁波中的信息完成的。雷达截面(rcs)表征目标在雷达所发射电磁波照射下产生回波能力的强弱，是衡量隐身特性的重要指标。
3.在隐身设计的平台中，以飞行器为例，进气道、座舱和天线是对整个系统rcs贡献最大的三个散射源。天线需要保证其辐射性能，所以传统减缩rcs的方法很难应用在天线rcs的减缩方面。天线加载电磁超表面是一种常见的实现rcs减缩的手段。不同的电磁超表面可以针对性地改变电磁波的某种属性，基于不同的原理实现rcs减缩。极化转换表面(pcm)可以实现电磁波在不同极化间的转换，并可以通过合理的设计与天线进行结合，达到既不损害天线的辐射性能还能实现天线rcs减缩的效果。
4.一般来说，超表面是一种无源结构，超表面本身并不直接参与辐射，所以加载超表面减缩天线的rcs时，超表面和天线存在空间上的竞争关系，导致常见低rcs天线的口径利用率较低，考虑超表面单元与微带贴片天线形式上的高度一致性，对超表面单元进行馈电，也能完成天线辐射的基本功能。如果超表面单元可以直接作为辐射体，那么就能在实现天线rcs减缩的同时，提高整个天线阵列结构的口径利用率。金属结构复用的辐射散射一体化的低rcs天线可以很明显的提高天线的口径利用率，并且不引入覆层或者反射板等额外结构，具备很好的低剖面特性。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种可重构低rcs圆极化天线阵列，用于解决现有加载电磁超表面的低rcs天线口径效率低，剖面大的问题，实现低剖面、口径高利用率、天线可重构，从时域隐身的角度实现了天线rcs的缩减。
6.本发明是通过下述技术方案来实现的。
7.本发明提供了一种可重构低rcs圆极化天线阵列，包括从上到下依次布置的介质基板、金属覆铜地板、馈电网络介质基板和二极管偏置网络介质基板，介质基板上附有金属谐振结构，馈电网络介质基板和二极管偏置网络介质基板之间设有微带馈电网络，二极管偏置网络介质基板下方设有二极管偏置网络；
8.微带馈电网络通过金属探针穿过馈电网络介质基板、金属覆铜地板和介质基板与金属谐振结构相连，实现天线阵列的圆极化辐射；
9.二极管偏置网络通过穿过二极管偏置网络介质基板的金属化通孔与微带馈电网络相连；
10.当微带馈电网络上的二极管正偏压时，二级管处短路，天线正常馈电；当二极管反偏压时，二级管处开路，在平面波入射下天线在频带范围内实现极化转换。
11.上述技术方案中，金属谐振结构由m
×
n个金属谐振结构单元构成，金属谐振结构单元以m/2
×
n/2为一组，按照棋盘式排布均匀分布。
12.上述技术方案中，金属谐振结构单元构包含了一个切角一对等腰直角三角形的矩形贴片和位于矩形贴片外侧的一组宽带相同的寄生枝节；寄生枝节包括相互垂直分布的一对枝节和一个平行于切角的枝节。
13.上述技术方案中，微带馈电网络包括t型功分网络、弯折线、二极管、金属探针和贴片电感；t型功分网络包括六级；每一级均为一分二功分微带线，各级功分微带线呈树状枝杈连接，弯折线设在树状枝杈上；在最后一级功分网络末端设有二极管和贴片电感，对每个金属谐振结构的单元予以同轴探针激励。金属探针位于最后一级功分网络末端并在二极管和贴片电感之间。
14.上述技术方案中，六级t型功分网络包括第一级一分二功分微带线，第一级一分二功分微带线连接一对第二级一分二功分微带线，各第二级一分二功分微带线分别连接一对第三级一分二功分微带线；以此类推，各第三、第四、第五一分二功分微带线分别各连接一对下一级一分二功分微带线，第六级一分二功分微带线包含十六对一分二功分微带线。
15.上述技术方案中，穿过馈电网络介质基板、金属覆铜地板和介质基板的金属探针与金属谐振结构的每个单元和微带馈电网络的最后一级一分二功分网络末端相连。
16.上述技术方案中，弯折线包括一段180
°
相移线和两段90
°
相移线，其中180
°
相移线位于第一级一分二功分微带线和第二级一分二功分微带线之间，两段90
°
相移线分别位于第二级一分二功分微带线和第三级一分二功分微带线之间，并呈中心对称分布。
17.上述技术方案中，在第一级一分二功分微带线分支处添加有贴片电感，贴片电感连接至二极管偏置网络。
18.上述技术方案中，二极管偏置网络包括导线和金属化通孔，若干支路导线呈平行分布连接在主导线上，金属化通孔连接在若干支路导线上，各支路导线连接到外部电源的负极；还包括连接到外部电源的正极的一条分支路导线；
19.穿过二极管偏置网络介质基板的金属化通孔一端连接导线与外部电源连通，另一端与第一级一分二功分微带线分支和最后一级功分网络末端的贴片电感相连。
20.上述技术方案中，第一级一分二功分微带线分支通过穿过二极管偏置网络介质基板的金属化通孔连接分支路导线与外部电源的正极相连；
21.最后一级功分网络末端通过穿过二极管偏置网络介质基板的金属化通孔连接各支路导线与外部电源的负极相连。
22.本发明将天线单元通过棋盘式排布形成阵列并予以顺序旋转馈电网络进行馈电，通过控制pin二极管通断的方式实现天线单元在辐射状态和极化转换状态之间的切换，最终实现可以在辐射圆极化电磁波和低散射状态之间进行切换的可重构低rcs圆极化天线阵列。
23.进一步，天线单元直接利用超表面单元馈电实现45
°
线极化辐射，为减少天线阵列间辐射的电磁能量相抵消，通过改变电流路径长度使得子阵间的馈电网络形成90
°
相位差进而形成圆极化辐射，同时引入二极管偏置网络使得直流偏置更为便利。
24.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
25.第一，本发明考虑超表面单元与微带贴片天线形式上的高度一致性，对超表面单元馈电，使超表面单元可以直接作为辐射体，在实现天线rcs减缩的同时，提高整个天线阵列结构的口径利用率。
26.第二，本发明在馈电线的末端加载pin型二极管作为电子开关。当二极管正偏压时，pin二级管处相当于短路，天线可以正常馈电；当二极管反偏压时，pin二级管处相当于开路，馈电线的影响可以忽略不记，在平面波入射下所设计单元结构在某一频带范围内可以实现极化转换。
27.第三，本发明中由于二极管的位置处于微带馈电线上，可以在第一级功分网络的始端和每一个最后一级功分网络的末端外连接导线与外部电源连接，二极管可以通过外接导线的方式直接利用微带线的金属条带对其进行直流偏置。但是考虑到阵天线阵列规模为8
×
8，连接直流电源时外接导线数目繁多。为了连接方便，额外设计了二极管偏置电路放置在天线阵列的正下方。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
29.图1为本发明的立体结构组成图；
30.图2为本发明金属谐振结构俯视图；
31.图3为本发明微带馈电网络结构示意图；
32.图4为本发明及天线单元的俯视图(不含二极管偏置网络)；
33.图5为本发明二极管偏置网络结构示意图；
34.图6(a)、(b)为本发明实施例的俯视图和立体结构图示意图；
35.图7(a)、(b)为本发明微带馈电网络加载二极管偏置网络结构示意图；
36.图8为本发明实施例提供的立体结构图及天线单元尺寸示意图；
37.图9为本发明实施例提供的微带馈电网络结构尺寸示意图；
38.图10为本发明实施例提供的天线阵列反射系数仿真曲线图；
39.图11为本发明实施例提供的天线阵列轴比仿真曲线图；
40.图12为本发明实施例提供的天线阵列最大辐射方向增益仿真曲线图；
41.图13为本发明实施例提供的天线阵列与参考金属地板单站rcs仿真曲线图。
42.图中：1、金属谐振结构；2、介质基板；3、金属覆铜地板；4、馈电网络介质基板；5、微带馈电网络；6、二极管偏置网络介质基板；7、二极管偏置网络；
43.11、矩形贴片；12、寄生枝节；
44.51、t型功分网络；52、弯折线；52a、180
°
相移线；52b、90
°
相移线；53、二极管；54、金属探针；55、贴片电感；56、第一级一分二功分微带线分支；57、最后一级功分网络末端；
45.71、金属化通孔；72、导线；73、正极；74、负极。
具体实施方式
46.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例
以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
47.参照图1，对本发明一种可重构低rcs圆极化天线阵列整体结构做进一步描述。
48.本发明天线阵列从上到下包括四层介质基板：介质基板2、金属覆铜地板3、馈电网络介质基板4和二极管偏置网络介质基板6，介质基板2上附有金属谐振结构1，馈电网络介质基板4和二极管偏置网络介质基板6之间设有微带馈电网络5，二极管偏置网络介质基板6下方设有二极管偏置网络7。
49.如图2所示，本发明的天线金属谐振结构由8
×
8共64个金属谐振结构单元组成，金属谐振结构单元以m/2
×
n/2为一组，按照棋盘式排布均匀分布。且天线工作时天线的极化为45
°
线极化，若所有单元同相位馈电，天线阵列有部分电磁能量会发生抵消，为了保证能量的有效利用，确定天线阵列的极化形式为圆极化。
50.金属谐振结构单元构包含一个切角一对等腰直角三角形的矩形贴片11和位于矩形贴片11外侧的一组宽带相同的寄生枝节12；寄生枝节12包括相互垂直分布的一对枝节和一个平行于切角的枝节。
51.如图3所示，微带馈电网络结构包括t型功分网络51、弯折线52、二极管53、金属探针54和贴片电感55。
52.在t型功分网络51上的弯折线52，包括一段180
°
相移线52a和两段90
°
相移线52b。t型功分网络51包括六级；每一级均为一分二功分微带线，第一级一分二功分微带线，第一级一分二功分微带线连接一对第二级一分二功分微带线，各第二级一分二功分微带线分别连接一对第三级一分二功分微带线；各第二级一分二功分微带线共连接两对第三级一分二功分微带线；各第三级一分二功分微带线分别连接一对第四级一分二功分微带线，各第三级一分二功分微带线共连接四对第四级一分二功分微带；各第四级一分二功分微带线分别连接一对第五级一分二功分微带线，各第四级一分二功分微带线共连接八对第五级一分二功分微带；各第五级一分二功分微带线分别连接一对第六级一分二功分微带线，各第五级一分二功分微带线共连接十六对第六级一分二功分微带；共采用六级功分网络得到1分64的功分网络，各级功分微带线呈树状枝杈连接。通过改变电流路径长度的形式，为相邻子阵单元间提供90
°
的相位差，实现整个天线阵列的圆极化辐射。
53.微带馈电网络5通过“t”型功分网络的设计原则并引入弯折线52，弯折线52包括一段180
°
相移线52a和两段90
°
相移线52b，其中180
°
相移线52a位于第一级一分二功分微带线上，两段90
°
相移线52b分别位于第二级一分二功分微带线上，并呈中心对称分布，能够实现相邻子阵间90
°
相位差。在微带馈电线的最后一级功分网络末端对每个金属谐振结构的单元予以同轴探针激励。
54.通过弯折线52改变电流路径长度的形式，为相邻子阵单元间提供90
°
的相位差，实现整个天线阵列的圆极化辐射。
55.进一步，在最后一级功分微带线末端57设有二极管53和贴片电感55，在金属探针54之间加载pin型二极管53作为电子开关，并在金属探针的另一侧和第一级一分二功分微带线分支56处添加贴片电感55，以避免二极管偏置电路7的引入对原天线阵列性能产生影响，贴片电感55的另一边连接至二极管偏置网络7的金属化通孔71，对每个金属谐振结构1的单元予以同轴探针激励。
56.金属探针54位于最后一级功分网络末端57并在二极管53和贴片电感55之间。穿过
馈电网络介质基板4、金属覆铜地板3和介质基板2的金属探针54与金属谐振结构1的每个单元和微带馈电网络5的最后一级功分网络末端57相连。
57.如图4结合图7(b)所示，在微带馈电线的最后一级功分网络末端57对每个金属谐振结构1的单元予以金属探针54激励，在金属覆铜地板3上蚀刻了一个半径为r1的圆形孔径，在金属谐振结构单元的一条对角线上有半径为r2的金属探针54。穿过馈电介质基板4、金属覆铜地板3和介质基板2的金属探针54与金属谐振结构1的每个单元和微带馈电网络5的最后一级功分网络末端相连其两侧分别为pin型二极管和贴片电感。
58.如图5所示，二极管偏置网络7包括金属化通孔71、导线72，若干支路导线呈平行分布连接在主导线上，金属化通孔71连接在若干支路导线上，各支路导线连接到外部电源的负极74；还包括连接到外部电源的正极73的分支路导线。穿过二极管偏置网络介质基板6的金属化通孔71一端连接导线72与外部电源连通，另一端与第一级一分二功分微带线分支56和最后一级功分网络末端的贴片电感55相连。
59.如图6(a)、(b)、图7(a)、(b)所示，第一级一分二功分微带线分支56通过穿过二极管偏置网络介质基板6的金属化通孔71连接分支路导线与外部电源的正极73相连；最后一级功分网络末端57通过穿过二极管偏置网络介质基板6的金属化通孔71连接各支路导线与外部电源的负极74相连。
60.本发明中由于二极管的位置处于微带馈电线上，可以在第一级一分二功分微带线分支处和每一个最后一级功分网络的末端外连接导线与外部电源连接；功分微带线分支处通过一个金属化通孔连接导线与外部电源的正极连接，每一个最后一级功分网络的末端通过8
×
8共64个金属化通孔连接导线与外部电源的负极连接，从而实现对二极管的直流偏置。
61.微带馈电网络5通过金属探针穿过馈电介质基板4、金属覆铜地板3和介质基板2与金属谐振结构1相连，实现天线阵列的圆极化辐射；二极管偏置网络7通过穿过二极管偏置网络介质基板6的金属化通孔与微带馈电网络5相连。
62.当二极管正偏压时，pin二级管处短路，天线正常馈电；当二极管反偏压时，pin二级管处开路，在平面波入射下天线在频带范围内实现极化转换。
63.下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
64.采用介质基板2的相对介电常数为2.65的f4b，厚度为2mm；馈电网络介质基板4的材料为介电常数为2.65的f4b，厚度为0.4mm；二极管偏置网络的介质基板6的介电常数为2.65的f4b，厚度为0.254mm。
65.本实施例的金属谐振结构1由8
×
8个金属谐振结构单元组成，金属谐振结构单元以4
×
4为一组，按照棋盘式排布均匀分布。金属谐振结构单元构包含了一个切角一对等腰直角三角形的矩形贴片11和一组宽带相同的寄生枝节12，寄生枝节12包括相互垂直分布的一对枝节和一个平行于切角的枝节。
66.如图8给出了本实施例金属谐振结构的尺寸。表1为金属谐振结构参数值。
67.表1、图8金属谐振结构参数值(mm)
68.l_substracth_substract1lwpl115282.37l2w1w2w3h_substract2
40.444.60.4r1r2l_feedw_feedp_feed10.36.40.85.8
69.天线单元极化转换特性以及棋盘式排布实现天线rcs的缩减。
70.在一个实施例中，天线阵列的长宽均为l0，l0＝120mm，整体剖面高度为0.147λ，λ为中心频率10ghz所对应的空气中的波长。可重构低rcs圆极化天线和下层二极管偏置网络之间间隔为1.746mm。
71.如图9所示，给出了本实施例微带馈电网络示意图，表2为微带馈电网络结构参数值。
72.表2、图9微带馈电网络结构尺寸(mm)
73.l_feed1l_feed2l_feed3l_feed4l_feed5l_feed66028.323.154.81515l_feed7l_feed8l_feed9l_feed10w_feed1w_feed27.84.84.94.80.80.4w_feed3w_feed4w_feed5w_feed6w_feed7w_feed80.80.40.80.40.80.4w_feed9w_feed10w_feed11w_feed12w_feed13tt10.80.40.80.10.66.8tt2dd1dd2tt3dd3 2.12.50.452.11.8 74.在本实施例中，介质基板的相对介电常数为2.65的f4b，厚度为2mm。馈电网络介质基板的材料为介电常数为2.65的f4b，厚度为0.4mm。二极管偏置网络的介质基板的介电常数为2.65的f4b，厚度为0.254mm。
75.二极管处于导通状态时，天线阵列为辐射状态；二极管处于截止状态时，天线阵列为散射状态，进而从时域隐身的角度实现了天线rcs的缩减。
76.表3为二极管偏置结构尺寸。
77.表3、图9二极管偏置结构尺寸(mm)
78.h_substract3h_substract4w_feed13r_feed1.7460.2540.60.3
79.本发明的技术效果可通过以下仿真实验做进一步的描述。
80.1、仿真条件：
81.利用图2所描述的本发明天线阵列结构，对其工作在7.8ghz-11.8ghz频段上的辐射性能以及在8ghz-13ghz频段上的散射性能进行仿真实验；在仿真过程中，使用在馈电线的末端通过金属贴片的有无来模拟二极管的导通状态和截止状态。
82.2、仿真内容
83.利用商业仿真软件hfss_15.0对上述实施例在二极管的导通状态下的反射系数进行仿真计算，结果如图10所示。
84.利用商业仿真软件hfss_15.0对上述实施例在二极管的导通状态下的轴比进行仿真计算，结果如图11所示。
85.利用商业仿真软件hfss_15.0对上述实施例在二极管的导通状态下的天线增益进行仿真计算，结果如图12所示。
86.利用商业仿真软件hfss_15.0对上述实施例与参考金属地板在二极管的截止状态下的单站rcs进行仿真计算，结果如图13所示。
87.3、仿真结果分析：
88.图10中，二极管处于导通状态时，天线阵列为辐射状态。在此状态下所发明天线阵列在7.8ghz-11.8ghz之间反射系数均小于-10db，天线的匹配特性良好，阻抗带宽为40.8％。在所设计10ghz的工作频率处，反射系数为-25db。
89.图11中，可以看出所发明天线阵列在9.5ghz-10.8ghz之间最大辐射方向上轴比小于3db，轴比带宽为12.8％，在所设计10ghz的工作频率处，轴比为0.75db，具备良好的圆极化特性。
90.图12中，可以看出辐射状态下所发明天线阵列在10ghz时最大辐射方向上具有19.7dbic的右旋圆极化增益。
91.图13中，二极管处于截止状态时，天线阵列为散射状态。当平面波入射到此状态下的天线阵列时，天线的散射特性可以等效为无源极化转换表面在平面波入射下的散射特性。所以以相同大小的金属地板作为参考。所发明的天线阵列在8ghz-13ghz之间有减缩效果，减缩频带与最终天线单元在平面波入射下的极化转换带宽基本吻合，所设计天线阵列在天线工作频带范围内具有很好的rcs减缩特性。所设计天线阵列在8.6ghz-13.2ghz之间单站rcs具有11.1db的平均减缩量，减缩带宽为42.2％，其中当入射电磁波频率为10ghz时，天线阵列的单站rcs减缩了11.6db。
92.以上仿真结果说明本发明具有良好的圆极化辐射以及低散射性能，与现有技术相比，提高了天线的口径利用率并保证了较小的剖面。
93.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。