專利名稱：低雷達散射截面的超寬帶仿生天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種仿生天線，可用于隱身和超寬頻帶的接收 和發(fā)射。
背景技術(shù)：
雷達散射截面RCS是雷達探測技術(shù)、隱身和反隱身技術(shù)中表征目標(biāo)可識別特性 的一個最基本的參數(shù)，是目標(biāo)在平面波照射下在給定方向上返回功率的一種量度。雷 達散射截面減縮就是控制和降低軍用目標(biāo)的雷達散射截面，降低敵方電子探測系統(tǒng)和 武器平臺戰(zhàn)斗效力，從而提高軍用目標(biāo)的突防能力和生存能力。如何減縮目標(biāo)的雷達 散射截面，減縮效果如何，對當(dāng)前面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)爭的勝敗意義重大。對于 低可見平臺，對其總雷達散射截面貢獻較大的是平臺上的天線。減縮天線單元的雷達 散射截面對于減縮大型陣列天線的雷達散射截面尤為重要。但是由于天線系統(tǒng)自身工 作特點，它必須保證自身雷達波的正常接收和發(fā)射，因此常規(guī)的隱身措施不可以簡單 地應(yīng)用在天線隱身中，這就使天線系統(tǒng)隱身成為隱身技術(shù)中難以解決的問題。目前國 內(nèi)外還沒有找到一種完全理想的途徑，既可顯著降低天線的雷達散射截面又不影響天 線對電磁波的發(fā)射和接收，這就使得發(fā)明同時滿足輻射特性、散射特性要求的天線更 加重要。
天線是一類特殊的散射體，它的散射通常包括兩部分 一部分是與散射天線負載 情況無關(guān)的結(jié)構(gòu)模式項散射場，它是天線接匹配負載時的散射場，其散射機理與普通 散射體相同；另一部分則是隨天線的負載情況變化的天線模式項散射場，它是由于負 載與天線不匹配而反射的功率經(jīng)天線再輻射而產(chǎn)生的散射場，這是天線作為一個加載 散射體而特有的散射場。在此理論基礎(chǔ)上，有一種分析天線散射的模型，利用天線饋 電端口的開、短路兩種狀態(tài)下天線的散射場確定天線的結(jié)構(gòu)模式項散射場和天線模式 項散射場，解決了兩者之間相位關(guān)系難以確定的問題。任意負載狀態(tài)下天線的散射場 可以由天線在前面兩種狀態(tài)下得到的散射場計算得到。利用該模型即可求解各種天線 的雷達散射截面特性。
超寬帶技術(shù)，在美國FCC最新的定義中，規(guī)定3.1GHz 10.6GHz為實際適用頻 譜范圍。超寬帶雷達系統(tǒng)具有較高的距離分辨率和寬的頻譜，具有精確的目標(biāo)識別能力，能獲得復(fù)雜目標(biāo)的細微特征，在反隱身、反導(dǎo)以及目標(biāo)識別等方面具有廣泛的應(yīng) 用價值。同時，為了提高超寬帶雷達的戰(zhàn)場生存率，必須對其進行隱身處理。超寬帶 天線是超寬帶雷達系統(tǒng)中最主要的外部設(shè)備，所以研制低雷達散射截面的超寬帶天線
具有重要的意義。
隨著超寬帶技術(shù)的發(fā)展，對具有超寬帶頻譜特性的天線的需求越來越大。在過去， 很多寬帶單極子形式的天線被廣泛應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中，例如輻射單元為圓形，方形， 橢圓形，五角形，六角形等的天線，這些天線可以很好的滿足天線的帶寬特性。但是 這些天線的輻射地板與輻射單元往往不在同一平面，不利于天線與載體共形，因而限 制了這些超寬帶天線的實際工程應(yīng)用；圖l給出了現(xiàn)有的一種超寬帶平面單極子天線， 天線正面印制有半徑為16毫米的圓形輻射單元，反面印制有長為42毫米，寬為16 毫米的矩形輻射地板，該天線雖具有良好的超寬工作頻帶，但是圓形的輻射單元使其 天線雷達散射截面很高，不利于天線的隱身。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有寬帶天線的缺點，提出一種低雷達散射截面的超 寬帶仿生天線，以減小天線雷達散射截面，易于天線的隱身，并實現(xiàn)天線與載體的共 形。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
1. 技術(shù)原理
仿生學(xué)是研究生物體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想及工作原理的 科學(xué)。生物體的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過長期的自然選擇和進化而形成的，不適應(yīng)環(huán)境的生物體將 被淘汰。仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物體的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化， 然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計和制造新的技術(shù)設(shè)備。
昆蟲的觸角是昆蟲接觸和感知外界世界的主要器官，尤其是觸角上的須可使昆蟲 有效地接收外界信息，因而在一定意義上昆蟲觸角的功能與天線的功能是相似的。所 以本發(fā)明的技術(shù)思路是將昆蟲觸角須的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到天線的設(shè)計中，以改善天線的性 能。
業(yè)內(nèi)周知，天線的輻射單元形狀和輻射地板形狀決定天線的性能。根據(jù)仿生學(xué)原
理，將天線的輻射單元設(shè)計為類似昆蟲觸角的形狀，將輻射地板設(shè)計為兩邊倒有90 度圓弧角的矩形，將有利于降低天線的雷達散射截面和展寬天線的工作頻帶。
2. 天線結(jié)構(gòu)本發(fā)明的超寬帶仿生天線包括輻射單元、輻射地板和SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭，天
線輻射單元和天線輻射地板分別印制在介質(zhì)材料板的兩側(cè)，并固定在SMA同軸轉(zhuǎn)換 接頭上。所述的輻射單元是由一個矩形柱和對稱分布在該矩形柱上的多個圓弧條組成 的扇形結(jié)構(gòu)。這些圓弧條的圓心角角度相同，半徑尺寸自上而下按等間隔遞增。
所述的圓弧條，其中最上面弧條和最下面弧條的半徑比例為3: 31，這些圓弧條 在矩形柱上按等距離間隔分布；圓弧條的寬度與圓柱寬度比為1: 1.2。輻射地板的形 狀為帶有90度圓弧角的矩形。輻射單元與輻射地板分別與SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭的內(nèi)芯
和外芯相連。
本發(fā)明由于利用類似昆蟲觸角須的形狀將天線的輻射單元設(shè)計為一個矩形柱和 對稱分布在該矩形柱上的多個圓弧條組成的扇形結(jié)構(gòu)，從而有效地減小了輻射單元的 表面覆蓋面積，使其與現(xiàn)有的同種天線相比具有更低的雷達散射截面，便于實現(xiàn)天線
隱身；同時輻射單元中的圓弧條結(jié)構(gòu)和輻射地板的兩邊倒有90度圓弧角的矩形結(jié)構(gòu)， 使本發(fā)明天線相比普通的天線有著更寬的工作頻帶；此外由于將天線的輻射單元、輻 射地板分別印制在介質(zhì)材料板的上下表面，實現(xiàn)了天線的平面化，利于天線與載體共 形。
理論計算結(jié)果和實測結(jié)果表明，本發(fā)明天線同時具有超寬頻帶特性和低雷達散射 截面特性。本發(fā)明天線可實現(xiàn)3.0GHz 14.0GHz的工作頻帶；本發(fā)明天線在垂直于天 線表面這一威脅角度上的單站雷達散射截面比現(xiàn)有的天線低，更易于天線的隱身。
圖1是現(xiàn)有的超寬帶微帶貼片天線整體結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明的天線整體結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明天線輻射單元和輻射地板結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明天線的工作頻率一 電壓駐波比曲線圖； 圖5是本發(fā)明的天線在x-y面和y-z面的遠場方向圖； 圖6是本發(fā)明天線終端接開路負載和短路負載時的RCS曲線圖； 圖7是本發(fā)明天線與現(xiàn)有天線RCS曲線比對圖。
具體實施例方式
參照圖2，本發(fā)明主要由介質(zhì)材料板1、輻射單元2、輻射地板3和SMA同軸轉(zhuǎn)換 接頭構(gòu)成。介質(zhì)材料板1選用介電常數(shù)為4.4的雙面覆銅介質(zhì)材料板，輻射單元2印 制在材料板的正面，輻射地板3印制在材料板的反面。SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭的內(nèi)芯4和外芯5分別與天線的輻射單元2和輻射地板3焊接在一起。
參照圖3a，本發(fā)明天線的輻射單元根據(jù)類似昆蟲觸角的形狀而設(shè)計，它由一個矩 形柱21和對稱分布在該矩形柱上的多個圓弧條22組成，形成一個扇形結(jié)構(gòu)。這些圓 弧條的圓心角角度相同，半徑尺寸自上而下按等間隔遞增。圓弧條的個數(shù)是根據(jù)圓弧 條的寬度和間隔以及最下面弧條與介質(zhì)材料板下邊緣的間距共同決定的，且最上面弧 條和最下面弧條的半徑比例為3: 31。每個圓弧條均對稱于矩形柱21，且在矩形柱上 按等間隔分布。矩形柱21寬度與圓弧條22的寬度比為1.2: 1。輻射單元對稱于材料 板的中心線，其下邊緣與介質(zhì)材料板的下邊緣對齊。
參照圖3b，本發(fā)明天線的輻射地板3印制在介質(zhì)材料版的反面，輻射地板為兩邊 倒有90度圓弧角的矩形，矩形的長度與介質(zhì)材料板的寬度相等，輻射地板對稱于材 料板的中心線，其下邊緣與介質(zhì)材料板的下邊緣對齊。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)本發(fā)明給出制作圓弧條數(shù)為8個的天線結(jié)構(gòu)如下
材料板1選擇長為50毫米，寬為42毫米，厚度為0.8毫米，介電常數(shù)為4.4的 雙面覆銅材料板。
輻射單元2由一個矩形柱21和對稱分布在該矩形柱上的八個圓弧條組成的扇形 結(jié)構(gòu)。矩形柱21的長為47.2毫米，寬為1.2毫米。八個圓弧條對稱于矩形柱21，并 在矩形柱上按等間距分布，間距為4毫米，且最下面的圓弧條與介質(zhì)材料板的下邊緣 間距為16.6毫米。八個圓弧條圓心角的度數(shù)均為80度。八個圓弧條的半徑尺寸自上 而下按等間隔遞增，且滿足最上面弧條和最下面弧條的半徑比例為3: 31，分別為3 毫米，7毫米，ll毫米，15毫米，19毫米，23毫米，27毫米，31毫米。圓柱與八個 圓弧條的寬度比為l: 1.2，均為1毫米。整個輻射單元的下邊緣與材料版的下邊緣平 行對齊。該輻射單元印制到材料板的上表面，并在銅箔表面圖形上形成耐酸性的保護 層。
輻射地板3為兩邊倒有卯度圓弧角的矩形，矩形的長度與介質(zhì)材料板的寬度相 等，為42毫米，矩形的寬度為16毫米。輻射地板對稱于材料板的中心線，且其下邊 緣與介質(zhì)材料板的下邊緣對齊。該輻射地板印制到材料板的下表面，并在銅箔表面圖 形上形成耐酸性的保護層。
在介質(zhì)材料板1的正反面分別印制完輻射單元和輻射地板后，用腐蝕劑三氯化鐵 腐蝕掉表面多余的金屬部分，再對其表面進行電鍍，最后對整體進行裁剪修整，外芯與輻射地板焊接，最終制得天線。
本發(fā)明的優(yōu)點可通過以下仿真進一步說明
1、 仿真內(nèi)容
利用仿真軟件對上述實施例天線的電壓駐波比、遠場輻射方向圖、和單站雷達散
射
截面進行仿真計算。
2、 仿真結(jié)果
圖4為天線的工作頻率一電壓駐波比曲線。通過圖4可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明天線在電壓 駐波比小于3.0條件下的工作頻帶為3.0GHz 14.0GHz，說明本發(fā)明天線具有良好的 寬帶特性，除了能夠滿足超寬帶天線所要求的3.1GHz 10.6GHz頻帶外，也可兼顧 到周圍的頻帶。
圖5為天線的X-Z面和Y-Z面的遠場增益方向圖，其中圖5a為天線工作在3GHz 時的遠場方向圖，圖5b為天線工作在5GHz時的遠場方向圖，圖5c為天線工作在7GHz 時的遠場方向圖。從圖5可看出，天線的最大輻射方向保持穩(wěn)定。所以說本發(fā)明天線 具有良好的超寬帶方向圖特性。
圖6為本發(fā)明天線終端接開路負載和短路負載時的RCS曲線圖，該圖中的曲線是 在天線SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭分別接開路負載和短路負載時計算出的單站雷達散射截面隨 工作頻率變化的曲線。這里提到的單站雷達散射截面是指在平面波的入射和接收方向
平行于z軸方向，極化方式為x極化的條件下計算得到的。通過這兩條曲線中的數(shù)值 可計算出天線在任意負載下的雷達散射截面。
圖7為計算出的本發(fā)明天線與現(xiàn)有天線的單站雷達散射截面對比圖，從圖7中可 看出，本發(fā)明天線在2 GHz 20GHz的平面波照射下的單站雷達散射截面小于現(xiàn)有天 線，說明本發(fā)明設(shè)計的天線具有比現(xiàn)有天線更小的雷達散射截面，更適合在隱身目標(biāo) 體上使用，利于天線隱身。
權(quán)利要求
1.一種低雷達散射截面的超寬帶仿生天線，包括輻射單元、輻射地板和SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭，天線輻射單元和天線輻射地板分別印制在介質(zhì)材料板的兩側(cè)，并固定在SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭上，其特征在于輻射單元由一個矩形柱和對稱分布在該矩形柱上的多個圓弧條組成的扇形結(jié)構(gòu)；這些圓弧條的圓心角角度相同，半徑尺寸自上而下按等間隔遞增。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶仿生天線，其特征在于最上面弧條和最下面弧條的 半徑比例為3: 31。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶仿生天線，其特征在于每個圓弧條對稱于矩形柱， 并在矩形柱上按等間距分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶仿生天線，其特征在于圓弧條的寬度與圓柱寬度比為1: 1.2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超寬帶仿生天線，其特征在于輻射地板為兩邊倒有90 度圓弧角的矩形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超寬帶仿生天線，其特征在于天線輻射單元和輻射地板 分別印制在材料板的兩側(cè)，并且分別與SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭的內(nèi)外芯相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低雷達散射截面的超寬帶仿生天線，主要解決現(xiàn)有超寬帶天線雷達散射截面高，易被雷達發(fā)現(xiàn)的問題。該低雷達散射截面的超寬帶仿生天線包括輻射單元(2)、輻射地板(3)和SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭。天線輻射單元和天線輻射地板分別印制在介質(zhì)材料板(1)的兩側(cè)，并且分別與SMA同軸轉(zhuǎn)換接頭的內(nèi)芯(4)和外芯(5)相連。該輻射單元按照類似昆蟲觸角的設(shè)計思路設(shè)計為由一個矩形柱和對稱分布在該矩形柱上的多個圓弧條組成的扇形結(jié)構(gòu)，這些圓弧條的圓心角角度相同，半徑尺寸自上而下按等間隔遞增；該輻射地板為兩邊倒有90度圓弧角的矩形。本發(fā)明具有頻帶寬、隱身性能好的優(yōu)點，可作為隱身目標(biāo)載體上的超寬帶天線。
文檔編號H01Q1/38GK101640310SQ20091002324
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者英 劉, 文 姜, 李延平, 濤 洪, 王文濤, 龔書喜 申請人:西安電子科技大學(xué)