CN107579346B - 一种超宽带低雷达截面的微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超宽带低雷达截面的微带天线，用于解决现有微带天线减缩雷达截面带宽窄的技术问题。包括介质基板、金属地板、极化转换表面、辐射单元和同轴接头；金属地板印制在介质基板的下表面，极化转换表面印制在介质基板的上表面，介质基板的上侧中心位置设置有矩形腔体，该腔体上方设置有与同轴接头输出端固定的辐射单元，极化转换表面由四个极化转换单元组组成，每个极化转换单元组包含若干个递减分形单元，相邻极化转换单元组中的递减分形单元的排列方向相差90⁰。本发明具有在超宽带减缩微带天线雷达截面性能稳定的优点，可用于电磁环境复杂的天线系统中在宽频带内降低天线间的电磁干扰。

Description

一种超宽带低雷达截面的微带天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种超宽带低雷达截面的微带天线，可用于电磁环境复杂的天线系统中在宽频带内降低天线间的电磁干扰。

背景技术

在现今的通信领域中，信号发射和接收系统是整个通信平台中最重要的组成部分，天线是该系统中核心的部分。随着无线技术的发展，天线所处的电磁环境也越来越复杂，天线间的相互干扰成为影响信号收发的重要因素。天线的辐射特性决定了其收发电磁波的能力，而其散射特性对其电磁兼容性有着重要的影响，它表征了天线对来波的反射能力，具有较弱散射特性的天线可以有效降低其自身对其他天线发射信号的干扰，增强天线间的电磁兼容性。

天线的散射通常通过雷达截面来定量表征，通常包括两部分：一部分是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场，它是天线接匹配负载时的散射场，其散射机理与普通散射体相同；另一部分则是随天线的负载情况变化的天线模式项散射场，它是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是天线作为一个加载散射体而特有的散射场。

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上加导体薄片而形成的天线，利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。与常规天线相比，微带天线重量轻、体积小、剖面薄、易于加工。中国申请公布号CN 104701613A，名称为“基于极化转换的低雷达截面微带贴片天线”的专利申请，公开了一种基于极化转换的低雷达截面微带贴片天线，包括辐射单元、介质板、金属地板、同轴接头和极化转换表面；介质板的上表面印制辐射单元和极化转换表面，其下表面印制金属地板，极化转换表面由四个极化转换单元组构成，中间具有正方形区域；每个极化转换单元组包含若干个对称轴上留有正方形缺口的极化转换单元，每个极化转换单元组中的极化转换单元的正方形缺口指向相同；该现有微带天线只有在4.2GHz、6.75GHz、9GHz和12GHz这四个频点附近频带内减缩雷达截面，减缩带宽窄，难以在宽频带内降低天线间电磁干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种超宽带低雷达截面的微带天线，用于解决现有微带天线减缩雷达截面带宽窄的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超宽带低雷达截面的微带天线，包括介质基板1和印制在该介质基板1下表面的金属地板2，其特征在于：所述介质基板1的上表面印制有极化转换表面3，上侧中心位置设置有横截面为正方形的矩形腔体，该腔体的底部安装有通过介质基板1的同轴接头5，上方设置有与同轴接头5输出端固定的辐射单元4；所述极化转换表面3由四个围绕矩形腔体的极化转换单元组31排列而成，每个极化转换单元组31由n个在X方向和Y方向等周期排布的递减分形单元311构成，n≥8，且在靠近矩形腔体处缺省一个递减分形单元311；所述递减分形单元311由k个直线排列且顶点相接的正方形组成，各正方形边长从中间向两侧等比递减，其中k为大于等于三的奇数；相邻极化转换单元组31中的递减分形单元311的排列方向相差90°；所述辐射单元4位于极化转换表面3所在的平面上。

上述一种超宽带低雷达截面的微带天线，所述辐射单元4，其形状为边长尺寸W＝8mm的正方形，且几何中心位于矩形腔体的纵向中心轴线上。

上述一种超宽带低雷达截面的微带天线，所述矩形腔体，其横截面的边长尺寸M＝12-20mm，高度尺寸H0＝1mm。

上述一种超宽带低雷达截面的微带天线，所述递减分形单元311，中间正方形边长尺寸A＝2.0-2.2mm，等比递减系数为t＝0.5。

上述一种超宽带低雷达截面的微带天线，所述介质基板1，其表面形状为正方形。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过对递减分形单元中正方形的尺寸进行优化，在很宽频带内x极化或y极化的电磁波照射到极化转换单元组上能高效地转换为y极化或x极化的电磁波，增加雷达截面的减缩带宽，从而在宽频带内降低天线间的电磁干扰。

2、本发明通过对矩形腔体尺寸进行优化，使天线的谐振频带与递减分形单元工作频率相同，从而在天线工作频带内减缩天线雷达截面。并且由于该递减分形单元具有超宽带特性，在天线工作频带内和频带外均有效地减缩雷达截面。

附图说明

图1是本发明天线的剖面结构图；

图2是本发明实施例1的俯视结构图；

图3是图2中递减分形单元的结构示意图；

图4是本发明实施例1的反射系数和交叉极化转换率PCR的仿真结果图；

图5是本发明实施例1的同极化反射系数仿真结果图；

图6是本发明实施例1的|S11|曲线仿真结果图；

图7是本发明实施例1在xoz面和yoz面的辐射方向图；

图8是本发明实施例1分别在x极化和y极化电磁波照射下随频率变化的单站雷达截面仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

参照图1，一种超宽带低雷达截面的微带天线，包括介质基板1、金属地板2、极化转换表面3、辐射单元4和同轴接头5；介质基板1采用介电常数为2.62，边长L＝65mm的正方形板材，其厚度H＝2mm；金属地板2印制在介质基板1的下表面，该金属地板2的形状和大小与介质基板1相同；极化转换表面3印制在介质基板1的上表面；介质基板1的上侧中心位置设置有横截面为正方形的矩形腔体，正方形边长M＝17mm，腔体高度H0＝1mm，矩形腔体与介质基板2的纵向中心轴线重合，从而提高微带天线的谐振频点，使天线的谐振频带与递减分形单元工作频率相同；在腔体的底部安装有通过介质基板1的同轴接头5，介质基板1的中心偏x轴正向位置设置有过孔，同轴接头5的内芯51穿过该过孔与设置在腔体上方的辐射单元4焊接，同轴接头5的外芯52与金属地板连接，形成底部馈电结构；辐射单元4的外形为边长W＝8mm的正方形金属贴片，辐射单元4的几何中心位于矩形腔体纵向轴线上，且位于极化转换表面3所在的平面上。

参照图2，所述极化转换表面3由分布在矩形腔体四周的四个极化转换单元组31组成，每个极化转换单元组31分别由n≥8个递减分形单元311在x方向和y方向等周期排布构成，本实施例n＝24，同时兼顾天线小型化与低雷达散射的性能，每个极化转换单元组31靠近矩形腔体处缺省一个递减分形单元311，从而四个极化转换单元组31形成一个与矩形腔体上表面形状大小相同的正方形区域，每个极化转换单元组31中的递减分形单元311排列方向相同，且平行于介质基板1的对角线，相邻极化转换单元组31中的递减分形单元311的排列方向相差90°，相邻极化转换单元组31所反射的电磁波幅度相等极化方向相反而对消，从而有效地降低雷达截面。

参照图3，所述递减分形单元311由五个直线排列且顶点相接的正方形组成，五个正方形的对角线在一条直线上，各正方形边长从中间向两侧等比递减，等比递减系数t＝0.5，中间正方形边长尺寸A＝2.1mm，该递减分形单元311的外围轮廓为边长P＝6mm正方形。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对部分参数做了调整：

矩形腔体横截面边长M＝12mm,递减分形单元311的中间边长A＝2.0mm。

实施例3：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对部分参数做了调整：

矩形腔体横截面边长M＝20mm,递减分形单元311的中间边长A＝2.2mm。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1中递减分形单元的反射系数和极化转换率在8GHz-34GHz范围内进行仿真计算，结果如图4所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1中递减分形单元的同极化反射系数在8GHz-34GHz范围内进行仿真计算，结果如图5所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1本发明天线与参考天线的|S11|在12GHz至16GHz频带内进行仿真计算，结果如图6所示；参考天线除了没有印制极化转换表面，其余所有结构和尺寸均与实施例1本发明天线相同。

1.4利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实例1的远场辐射方向图在14GHz处进行仿真设计，结果如图7所示，其中：图7(a)为实施例1本发明天线与参考天线在xoz面辐射方向图的对比图，图7(b)为实施例1本发明天线与参考天线在yoz面辐射方向图的对比图。

1.5利用商业仿真软件HFSS_16.0对上述实例1在电磁波垂直照射情况下的单站雷达截面进行仿真计算，入射电磁波的频率从8GHz到28GHz变化。结果如图8所示，其中图8(a)为实施例1本发明天线与参考天线在x极化电磁波垂直照射下，随频率变化的单站雷达截面的对比图；其中图8(b)为实施例1本发明天线与参考天线在y极化电磁波垂直照射下，随频率变化的单站雷达截面的对比图；

2、仿真结果分析：

参见图4，在交叉极化反射系数大于80％的条件下，本发明天线中递减分形单元的工作频带为10.45GHz-32.15GHz(相对带宽为101.9％)。由于其结构是沿对角线对称的，因此对于y极化和x极化入射电磁波的转换特性一样。

参照图5，当v极化和u极化的平面波垂直照射到天线表面时，同极化转换系数在11GHz，22.2GHz和32.6GHz处有三个谐振频率点，这三个频率点对应交叉极化反射系数的三个峰值。

参考图6,本发明天线在|S11|小于-10dB的条件下,具有12.9GHz-15.7GHz的工作频带，与参考天线工作带宽基本重合，这说明本发明天线具有良好的阻抗带宽。

参考图7(a)和图7(b)，本发明天线与参考的辐射方向图主瓣基本重合，并且本发明天线的最大辐射方向始终垂直于辐射地板表面，最大增益为7.13dB，这说明本发明天线具有良好的辐射方向图特性。

参照图8(a)和图8(b)，当x极化和y极化的平面波垂直照射到天线表面时，本发明天线相比参考天线在8GHz-28GHz频带(相对带宽105％)内雷达截面减缩量都超过6.5dB，这说明本发明天线在很宽频带内实现低雷达截面特性，与现有微带天线相比，在雷达截面减缩量相等的情况下，相对带宽更宽。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超宽带低雷达截面的微带天线，包括介质基板(1)和印制在该介质基板(1)下表面的金属地板(2)，其特征在于：所述介质基板(1)的上表面印制有极化转换表面(3)，上侧中心位置设置有横截面为正方形的矩形腔体，该腔体的底部安装有通过介质基板(1)的同轴接头(5)，上方设置有与同轴接头(5)输出端固定的辐射单元(4)；所述极化转换表面(3)由四个围绕矩形腔体的极化转换单元组(31)排列而成，每个极化转换单元组(31)由n个在X方向和Y方向等周期排布的递减分形单元(311)构成，n≥8，且在靠近矩形腔体处缺省一个递减分形单元(311)；所述递减分形单元(311)由k个直线排列且顶点相接的正方形组成，各正方形边长从中间向两侧等比递减，其中k为大于等于三的奇数；相邻极化转换单元组(31)中的递减分形单元(311)的排列方向相差90°；所述辐射单元(4)位于极化转换表面(3)所在的平面上。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带低雷达截面的微带天线，其特征在于：所述辐射单元(4)，其形状为边长尺寸W＝8mm的正方形，且几何中心位于矩形腔体的纵向中心轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带低雷达截面的微带天线，其特征在于：所述矩形腔体，其横截面的边长尺寸M＝12-20mm，高度尺寸H0＝1mm。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带低雷达截面的微带天线，其特征在于递减分形单元(311)，中间正方形边长尺寸A＝2.0-2.2mm，等比递减系数为t＝0.5。

5.根据权利要求1所述的一种超宽带低雷达截面的微带天线，其特征在于：所述介质基板(1)，其表面形状为正方形。