一种加载ATFSS的带外低RCS的天线

一种加载atfss的带外低rcs的天线
技术领域
1.本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种加载atfss的带外低rcs的天线。


背景技术：

2.带外低rcs天线在带内正常通信，在带外通过实现rcs缩减最终达到隐身效果。在天线上加载atfss(absorptive/transmissive frequency selective surface,atfss)可以实现在带外吸收入射的电磁波从而降低rcs。atfss一般是上下两层平行结构，上层介质板的上表面加载吸波结构，下层介质板的下表面加载带通fss结构。连续频段的吸波结构一般有两层结构组成，上层是金属损耗层，下层是金属地，中间是介质。上下两层高度相距λ/4，当入射的电磁波穿过损耗的金属层后，被下层的金属地反射回来，路程差是λ/2，与入射的额电磁波相位相差180
°
，从而相互抵消以达到吸波的目的。而带通fss则可以通过带内的电磁波，阻挡带外的电磁波。将吸波器与带通fss结合可以形成atfss，加载到天线上可以极大地缩减天线的带外rcs，但是传统的非连续频段的吸波器的结构层数一般由非连续频段的个数决定，结构较为复杂。
3.随着科学技术的不断发展，非连续频段的吸波器已经可以在一层平面结构上实现。考虑到当前的电磁环境日益复杂，研究加载atfss的带外低rcs的天线具有重要的理论和工程意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种加载atfss的带外低rcs的天线，能有效解决传统的天线带外rcs较高容易被探测到的现状，为实现天线rcs缩减提供重要的技术支持，具有重要的价值。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种加载atfss的带外低rcs的天线，带外低rcs的天线包括上层板和下层板，所述下层板的上表面贴有贴片天线，该贴片天线为单频点矩形贴片结构，所述下层板的下表面为金属地板；所述上层板包含两层atfss结构介质板，上层atfss结构介质板的上表面加载吸波结构，下层atfss结构介质板的下表面加载带通fss结构；所述上层板与下层板之间以及上层板的两层atfss结构介质板之间皆为空气腔。
6.作为优选，上层atfss结构介质板包括若干个等同大小的吸波单元，吸波单元包括同一高度的两个频段的吸波结构，具体为十字状方环以及加载在其四角处的偶极子，十字状方环和偶极子均加载集总电阻。
7.作为优选，集总电阻分别加载在十字状方环的中心以及每个偶极子的中心位置，十字状方环为连接形成镂空十字状的空心金属臂，集总电阻数量为4个，连接在在十字状中心各金属臂的交汇处。
8.作为优选，偶极子的数目为四个，与垂直方向成一定角度呈包裹状围绕十字状方环放置。
9.作为优选，带通fss结构包括若干个等同大小的带通fss单元，该单元包括一个正方形金属贴片，该金属贴片中央呈十字形镂空，十字形镂空外周包裹着以该正方形贴片中点为圆心的镂空圆环。
10.作为优选，将1个吸波结构单元以及2*2个带通fss单元设计为一个atfss结构单元，若干atfss结构单元排布在天线的上层板，其中所述atfss结构单元的工作频段与天线下表面贴片天线的工作频带范围不同，以实现双频带的rcs缩减效果，并增大缩减rcs的带宽。
11.作为优选，下层atfss结构介质板的上表面与上层atfss介质板的下表面之间的空气腔体高度为h1，下层atfss结构介质板的下表面和天线介质基板的上表面之间的空气腔体高度为h3，h1《h3。其中h3的范围为12-17mm，不同的高度会产生不同的插损，这与atfss的 z方向入射电磁波的角度稳定性有关，另外h1＝5mm
12.与现有技术相比，本发明的优势在于：
13.1.采用了在中心放置加载集总电阻的方环和在四角放置加载集总电阻的偶极子的吸波器，通过在同一高度的介质板上放置两个频段的吸波结构，在保证天线带外低rcs特征的同时，极大减少了天线结构复杂度和加工制作成本；与一般的吸波器相比，实现了一层介质结构可以吸收非连续频段的电磁波，从而实现了所设计天线带外吸波的特点，保证了带外rcs的缩减功能。
14.2.采用了加载了带通fss结构，该fss结构设计简单，实现了带内的透波，从而保证了带内天线的正常工作。
15.3.本发明吸波结构与带通fss结构相结合，相比于普通的rcs缩减天线具有双频带rcs缩减效果，且缩减rcs带宽较宽，结构更为简单，仅使用单层吸波结构实现了双频带的rcs缩减效果，并且天线在7.5ghz处的插损较小，在实现带外rcs缩减天线的研发中有着重要的价值。
附图说明
16.图1是加载atfss的带外低rcs的天线的结构侧视图；
17.图2是加载atfss的带外低rcs的天线的吸波器单元结构示意图；
18.图3是加载atfss的带外低rcs的天线的带通fss单元结构示意图；
19.图4是加载atfss的带外低rcs的天线的下层板贴片天线结构示意图；
20.图5(a)-(d)是加载atfss的带外低rcs的天线的仿真结果图。
21.附图标记：1-吸波结构，2-带通fss结构，3-金属底板，4-贴片天线。
具体实施方式
22.为了更加清楚明白地阐明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.本发明采用了单频点矩形贴片天线与加载双层atfss结构的atfss结构，通过频率选择吸波的原理，有效的降低了带外天线的rcs。
24.吸波率a(ω)为：
25.a(ω)＝1-|s
11
|
2-|s
21
|226.其中，s
11
是反射系数，s
21
是传输系数。为了使吸波器的吸收率尽可能的高，必须要尽量减少反射率和透射率，这样才能有效地降低天线带外的rcs。因此可由上述公式计算出atfss的吸波率曲线。
27.如图1所示，本发明提供了一种加载atfss的带外低rcs的天线，该rcs缩减天线由上下两层板构成，下层板的上表面贴有单频点矩形贴片结构的贴片天线4，下表面是金属地板3，贴片天线4的工作频带为7.43-7.77ghz；上层板包含了两层atfss结构，包括上层atfss结构介质板和下层atfss结构介质板，其中，下层atfss结构介质板的下表面加载带通fss结构2，上层atfss结构介质板的上表面加载吸波结构1。上、下两层atfss结构介质板之间皆为空气腔，其中下层atfss结构介质板的上表面与上层atfss介质板的下表面之间的空气腔体高度为h1，下层atfss结构介质板的下表面和天线介质基板的上表面之间的空气腔体高度为h3，h1《h3，h3的范围为12-17mm，不同的高度会产生不同的插损，这与atfss的 z方向入射电磁波的角度稳定性有关，另外h1＝5mm。最终实现在4ghz-7ghz，8.5ghz-12ghz频带内有效降低rcs。
28.其中，吸波结构1包括若干个等同大小的吸波单元，如图2所示，吸波单元包括同一高度的两个频段的吸波结构，具体为：在中心放置十字状方环并在其四角处的加载偶极子，所述十字状方环和偶极子均加载集总电阻。集总电阻分别加载在十字状方环的中心以及每个偶极子的中心位置，十字状方环为连接形成镂空十字状的空心金属臂，集总电阻数量为4个，连接在在十字状中心各金属臂的交汇处。偶极子的数目为四个，与垂直方向成一定角度呈包裹状围绕十字状方环放置。与一般的吸波器相比，实现了一层介质结构可以吸收非连续频段的电磁波，实现了结构简单，节约材料。
29.本实施例中，上层atfss结构介质板的上表面放置每臂长度是l2，十字形宽度是w1，方环的宽度是t1的加载集总电阻r的十字形方环。加载在四角的加载集总电阻r的偶极子长度是l8，与垂直方向倾斜45度。
30.本发明的加载atfss的带外低rcs的天线采用了带通fss结构2作为下层atfss结构的单元结构，实现了带内的透波，从而保证了带内天线的正常工作。带通fss结构2包括若干个等同大小的带通fss单元，如图3所示，该单元包括一个正方形金属贴片，该金属贴片中央呈十字形镂空，十字形镂空外周包裹着以该正方形贴片中点为圆心的镂空圆环。通常加载到低rcs天线上的atfss的吸波器由于吸波频段的非连续性，一般结构复杂。而与fss结合则形成atfss达到带外吸波，带内透波的效果较难实现，因此，在设计低rcs天线的过程中，即需要使用结构简单的吸波器，又需要设计相应的带通fss来组合形成中间频带透波，两侧频带吸波的atfss。
31.本实施例中，下层atfss结构介质板的下表面放置4个等同大小的在内圆镂空一个圆环，中间镂空一个十字形方环的正方形金属贴片。每个正方形金属贴片长度是p，镂空圆环的内半径是ri，外半径是ro。镂空十字形方环的长度是l1，宽度是w1，镂空宽度是g2。
32.本实施例中，一个atfss单元包括下表面的2*2个带通fss单元以及上表面的1个吸波结构单元。
33.本发明实施例的加载atfss的带外低rcs的天线上层板atfss阵列是2
×
2单元排
布。(其中，2*2个吸波结构以及4*4个带通fss结构共同组成了天线带外rcs缩减结构)。
34.图4给出了所设计加载atfss的带外低rcs的天线的结构示意图，其下层板的下表面是金属地板3。其中下层板的长、宽均为l，贴片天线的介质基板厚度为h，其上表面的矩形贴片天线的长度为x，宽度为y。
35.其中各参数为：
36.l＝36mm,h＝1.6mm,x＝12.2mm,y＝10mm,p＝9mm,ri＝4mm,ro＝4.3mm,l1＝4.44mm,w1＝1.11mm,g2＝0.22mm,h1＝5mm,l2＝8.15mm,w1＝1.85mm,t1＝0.37mm,r＝125ohm,l8＝3.87mm,h2＝0.8mm,h3＝17mm。
37.即下层板的长、宽l是36mm,下层板上表面矩形贴片天线的长度x是12.2mm，宽度y是10mm，贴片天线与atfss结构下表面空气腔体的高度设计h3为17mm，贴片天线的介质基板厚度h是1.6mm,下层atfss结构的下表面每个正方形金属贴片的周期p是9mm,镂空圆环的内半径ri是4mm，外半径ro是4.3mm，镂空十字形方环的长度l1是4.44mm，宽度w1是1.11mm，镂空宽度g2是0.22mm，下层atfss结构介质板的上表面与上层atfss结构介质板的下表面间空气腔体的高度h1设计为5mm,上下层atfss结构介质板的厚度h2是0.8mm，上层atfss结构介质板的上表面放置加载集总电阻r为125ohm的十字形方环的每臂长度l2是8.15mm，十字形宽度w1是1.85mm，方环的宽度t1是0.37mm，加载在四角的加载集总电阻r同样为125ohm的偶极子长度l8是3.87mm。
38.本发明的天线低频处在3.4ghz-4.6ghz频率范围内s
11
小于-10db，吸波率大于90％。高频处在9.1-11.5ghz率范围内s
11
小于-10db，吸波率大于90％。在6.2ghz-8.1ghz频带范围内透波。通带内的最高带内插损小于1db，基本满足技术指标。
39.本发明采用了加载atfss的带外rcs缩减技术，通过设计天线工作频段外的atfss，有效的解决了传统天线带外rcs较大的问题，并且所设计的天线相关的辐射特性良好。
40.根据加载atfss的带外低rcs的天线的工作频段，介质基底的材料可选择rogers rt5880，fr4等，金属结构材料可选择导电性好、性质稳定的金属，如铜、金和铝等。
41.在本实施例中，加载atfss的带外低rcs的天线工作在厘米波波段，下层介质基底采用rogers rt5880高频微波板，厚度h为1.6mm，采用标准pcb加工工艺在介质基底上表面制作相应尺寸的贴片天线，下表面附着金属地板；上层的两个atfss结构的介质板采用arlon ad450高频微波板，厚度h2为0.8mm，采用标准pcb加工工艺在介质基底上制作2*2的金属周期阵列，总的尺寸为36
×
36mm2，金属结构厚度采用20μm厚度的铜。
42.图5给出了加载atfss的带外低rcs的天线的仿真结果图。
43.图5(a)为加载atfss的带外低rcs的天线的s
11
，从图中可以看出天线的工作频带为7.43-7.77ghz；
44.图5(b)为加载atfss的带外低rcs的天线的频率-增益图，从图中可以看出天线在7.5ghz处的最大增益为7.91dbi；
45.图5(c)为天线的方向图,从图中可以看出天线辐射方向图良好，能够进行有效的辐射；
46.图5(d)为天线的rcs对比图；从图中可以看出所设计的天线在4-7ghz和8.5-12ghz处具有良好的rcs缩减功能。
47.本实施例中贴片天线的工作频点在7.5ghz，工作频带为7.43-7.77ghz。该加载
atfss的带外低rcs的天线工作状态良好且在7.5ghz频点处天线的增益为7.91dbi。该加载atfss的带外低rcs的天线在4-7ghz和8.5-12ghz处具有良好的rcs缩减功能。本发明相比于普通的rcs缩减天线具有双频带rcs缩减效果，且缩减rcs带宽较宽，结构更为简单，仅使用单层吸波结构实现了双频带的rcs缩减效果，并且天线在7.5ghz处的插损较小，在实现带外rcs缩减天线的研发中有着重要的价值。
48.以上所述仅是本发明的优选实施方案，并不用以限制本发明。应当指出：凡在本发明精神和原则之内所做出任何改进和润饰，均应视为本发明的保护范围之内。