用于缩减雷达散射截面的阵列天线.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102227040 A (43)申请公布日 2011.10.26 CN 102227040 A *CN102227040A* (21)申请号 201110052706.9 (22)申请日 2011.03.04 H01Q 13/08(2006.01) H01Q 1/38(2006.01) H01Q 17/00(2006.01) H01Q 21/00(2006.01) G01S 7/02(2006.01) (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710071 陕西省西安市太白南路 2 号 (72)发明人 张鹏飞 王夫蔚 路宝 龚琦 徐云学 龚书喜 刘英 姜文 (74)专利。

2、代理机构 陕西电子工业专利中心 61205 代理人 王品华 朱红星 (54) 发明名称 用于缩减雷达散射截面的阵列天线 (57) 摘要 本发明公开了一种用于缩减雷达散射截面的 阵列天线， 主要解决现有微带阵列天线雷达散射 截面大的问题。该阵列天线包括 ： 介质板、 接地板 和 n 个微带辐射单元， n 个微带辐射单元 (2) 位于 介质板 (1) 的上表面， 接地板 (3) 位于介质板 (1) 的下表面， 相邻两个微带辐射单元之间设有结构 型吸波材料阵列(4)， 由NM个方形金属贴片(5) 排列成矩形 ； 金属贴片 (5) 形成电感 L， 相邻金属 贴片间连接电阻 (7) 形成电阻 R， 相邻。

3、金属贴片 (5) 之间有缝隙 (6) 形成电容 C， 该电容 C、 电感 L 和电阻R组成RLC谐振电路， 调整该谐振电路的频 率， 使其与天线工作频率重合， 实现对垂直入射表 面波的吸收。本发明具有减缩天线带内和带外雷 达散射截面性能稳定， 对天线体积、 重量和成本无 影响的优点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 6 页 CN 102227049 A1/1 页 2 1. 一种用于缩减雷达散射截面的阵列天线， 包括 ： 介质板、 接地板和 n 个微带辐射单 元， 128 n 4， n 个微带辐射单元 。

4、(2) 位于介质板 (1) 的上表面， 接地板 (3) 位于介质板 (1) 的下表面， 其特征在于 ： 相邻两个微带辐射单元之间设有结构型吸波材料 (4)， 该结构 型吸波材料阵列由 NM 个方形金属贴片 (5) 排列成矩形， N 3， M 3 ； 金属贴片 (5) 形 成电感L， 相邻金属贴片之间连接电阻(7)形成电阻R， 相邻金属贴片(5)之间设有缝隙(6) 形成电容 C， 该电容 C、 电感 L 和电阻 R 组成 RLC 谐振电路， 通过调整该谐振电路的频率， 使 其与天线的工作频率重合， 实现对垂直入射表面波的吸收。 2. 根据权利要求 1 所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线， 其特。

5、征在于 ： 金属贴片 (5) 采用形状相同的正方形， 其宽度 W 取值为 0.05-0.5， 是天线的中心工作频率对应 的波长。 3. 根据权利要求 1 所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线， 其特征在于 ： 金属贴片 (5) 的形状， 进一步采用圆形或十字交叉形或树枝形。 4. 根据权利要求 1 所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线， 其特征在于 ： 金属贴片 之间缝隙 (6) 的宽度 G 为 0.01-0.06。 5. 根据权利要求 1 所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线， 其特征在于 ： 结构型吸 波材料 (4) 的尺寸为微带辐射单元 (2) 的 1.5-4 倍。 6. 根据权利要求 。

6、1 所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线， 其特征在于 ： 电阻 (7) 的阻值为 1-500 欧姆。 7.根据权利要求1所述的用于缩减雷达散射截面的阵列天线， 其特征在于 ： 接地板(3) 上焊接有 SMA 头的法兰盘， 微带辐射单元 (2) 上开有贯穿介质板 (1) 的过孔 (8)， SMA 头的 内芯通过过孔 (8) 焊接在微带辐射单元上， 对阵列天线进行馈电。 权 利 要 求 书 CN 102227040 A CN 102227049 A1/4 页 3 用于缩减雷达散射截面的阵列天线 技术领域 0001 本发明属于天线技术领域， 特别是一种利用结构型吸波材料减缩雷达散射截面的 阵列天线。

7、， 用于实现天线隐身。 背景技术 0002 在各种飞行器中， 天线作为必不可少的组成部分， 其雷达散射截面 RCS 对飞行器 整体的 RCS 贡献较大的问题越发突出。由于天线系统工作特点的限制， 它必须保证自身电 磁波的正常接收和发射， 因此常规的隐身措施不可能简单地在天线隐身中获得应用。如何 降低天线的 RCS， 使天线系统免遭对方的探测和攻击而有效地工作， 不仅关系到天线本身的 生存， 而且影响到其载体的电磁隐身性能， 进而影响到天线载体的生存。 天线的散射通常包 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的散射机。

8、理相同 ； 另一部分则是随天线负载情况而变化 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。在天线工作频带内对同极化的威胁雷 达波要实现隐身特性， 是一件极其困难的任务。此时虽然模式项散射会因为带内的良好匹 配而降低， 但结构项散射会因为天线的谐振而增加。由于天线的结构项散射与天线结构形 式和材料有关， 因此可以通过改变外形及加涂覆层等措施来降低天线的散射， 同时尽量保 持其辐射性能不受影响。 0003 要求天线系统只辐射和接收我方雷达波， 而不反射和散射对方探测雷达波， 是很 难解决的一个矛盾。目前国内外的研。

9、究， 往往是根据实际要求， 在一定的时域、 空域和频域 范围内， 尽量缓和这种矛盾。因此， 天线系统的隐身途径主要分为以下三个大的方面 ： 0004 (1)时域隐身。 在雷达不工作时设法将天线隐藏起来， 而在雷达开机前将天线恢复 到正常工作状态， 从而实现分时制的天线系统隐身， 但是， 在雷达开机时就完全失去了隐身 能力。 0005 (2) 空域隐身。利用斜射式行波天线阵， 将天线倾斜放置， 从而使其结构模式项散 射的峰值移出水平方向， 而其最大辐射方向可通过幅相控制仍然保持在水平方向， 并通过 良好的匹配来减小阵列的天线模式项散射， 实现水平方向较为有效的隐身效果。 但是， 其在 水平方向以。

10、外区域不能隐身， 并且会导致增益损失。 0006 (3) 频域隐身。通过改变天线外形、 采用雷达吸波材料、 无源对消技术和有源对消 技术实现 RCS 减缩， 其中最常用的和最为有效的是前两种。由于低 RCS 隐身外形设计的理 论基础是高频散射的几何光学近似， 因而在高频段其很有效， 但在低频段， 当天线尺寸与雷 达工作波长差不多甚至更小时， 改变外形对 RCS 的影响很小， 甚至会增强 RCS， 而且会在一 定程度上恶化天线的辐射性能。 对于带外雷达的隐身， 目前的研究很多， 例如利用一种称为 频率选择表面 FSS 的结构来制作天线罩， 将频带内的微波能量辐射透过， 而将带外的功率 斜向反射，。

11、 从而达到天线带外 RCS 减缩的目的， 但这类方法常常需要根据实际的外形设计 复杂的共形天线罩， 并给天线与天线罩之间留出一定距离， 因而使天线的体积、 重量和成本 说 明 书 CN 102227040 A CN 102227049 A2/4 页 4 增大， 而且减缩性能会受到安装误差的影响而不稳定， 对同频带同极化的威胁雷达波无能 为力， 使得要在天线工作频带内对相同极化的威胁雷达波实现隐身极其困难。 发明内容 0007 本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足， 提供一种用于缩减雷达散射 截面的阵列天线， 以减缩阵列天线雷达散射截面， 在保证阵列天线的体积不变的情况下， 实 现对垂直。

12、入射的带内和带外同极化雷达波的隐身。 0008 实现本发明的目的技术思路是 ： 将结构型吸波材料的吸波效果应用于电磁散射 领域， 实现天线雷达散射截面减缩。其整体阵列天线包括 ： 介质板、 n 个微带辐射单元， 128 n 4、 接地板， 微带辐射单元位于介质板的上表面， 接地板位于介质板的下表面， 其特征在于 ： 相邻两个微带辐射单元之间设有结构型吸波材料， 该结构型吸波材料阵列由 NM 个方形金属贴片排列成矩形， N 3， M 3 ； 金属贴片形成电感 L， 相邻金属贴片之间 连接电阻， 以形成电阻 R， 相邻金属贴片之间设有缝隙， 以形成电容 C， 该电容 C、 电感 L 和电 阻 R 。

13、组成 RLC 谐振电路， 通过调整该谐振电路的频率， 使其与天线的工作频率重合， 实现对 垂直入射表面波的吸收。 0009 所述的金属贴片采用形状相同的正方形， 其宽度 W 为 0.05-0.5， 是天线的中 心工作频率对应的波长， 或者采用圆形或十字交叉形或树枝形 ； 金属贴片之间缝隙的宽度 G 为 0.01-0.06。 0010 所述的结构型吸波材料的尺寸为微带辐射单元的 1.5-4 倍。 0011 所述的电阻的阻值为 1-500 欧姆。 0012 所述的接地板上焊接有 SMA 头的法兰盘， 微带辐射单元上开有贯穿介质板的过 孔， SMA 头的内芯通过过孔焊接在微带辐射单元上， 对阵列天线。

14、进行馈电。 0013 与现有技术相比， 本发明具有如下优点 ： 0014 (1) 本发明由于微带辐射单元与结构型吸波材料制作于同一表面， 且结构型吸波 材料由小型金属贴片紧凑排列而成， 因而结构简单， 易于加工制作， 对阵列天线的体积、 重 量和成本影响不大 ； 0015 (2) 本发明由于将阵列天线与结构型吸波材料进行一体化设计， 避免了分开设计 时出现安装误差而影响其减缩性能， 减缩性能稳定 ； 0016 (3) 本发明由于结构型吸波材料的吸波频率与阵列天线的工作频率重合， 故可实 现阵列天线对垂直入射的带内同极化雷达波的隐身。 附图说明 0017 图 1 是现有微带贴片阵列天线结构示意图。

15、 ； 0018 图 2 是本发明的结构示意图 ； 0019 图 3 是本发明与现有的微带贴片阵列天线的 RCS 比对曲线图 ； 0020 图 4 是本发明与现有的微带贴片阵列天线的反射系数比对曲线图 ； 0021 图 5 是本发明与现有的微带贴片阵列天线的 E 面方向图比对曲线图 ； 0022 图 6 是本发明与现有的微带贴片阵列天线的 H 面方向图比对曲线图。 说 明 书 CN 102227040 A CN 102227049 A3/4 页 5 具体实施方式 0023 参照图 1， 现有工作于 5.7GHz 的微带贴片阵列天线包括上下两个表面， 其中图 1(a) 是上表面结构图， 图 1(b。

16、) 为下表面结构图。该阵列天线由介质板 1、 四个微带辐射单 元 2 和接地板 3 组成， 介质板 1 采用双面覆铜板， 微带辐射单元 2 位于介质板的上表面， 接 地板 3 位于介质板的下表面， 接地板 3 上焊接 SMA 头的法兰盘， 每个微带辐射单元 2 上开有 贯穿介质板 1 的过孔 8， SMA 头的内芯通过该过孔焊接在微带辐射单元上， 对阵列天线进行 馈电。 0024 本发明是对图 1 所示阵列天线进行改进， 即将结构型吸波材料用于减小其雷达散 射截面， 其中图 2(a) 是本发明的上表面结构， 图 2(b) 为本发明下表面结构图。 0025 参照图 2， 本发明由介质板 1， n。

17、 个微带辐射单元 2， 128 n 4， 接地板 3， 结构型 吸波材料阵列 4 组成。介质板 1 采用双面覆铜板， 微带辐射单元 2 位于介质板的上表面， 接 地板 3 位于介质板的下表面， 结构型吸波材料阵列 4 分布在相邻两个微带辐射单元 2 之间， 结构型吸波材料 4 的尺寸为微带辐射单元 2 的 1.5-4 倍。微带辐射单元 2 沿介质板 1 的横 向中心线排列， 结构型吸波材料阵列4沿介质板1的横向中心线均匀排列， 分别位于相邻两 个微带辐射单元之间。每个结构型吸波材料阵列均由 53 个方形金属贴片 5 排列成矩形， 但不限于 53 个方形金属贴片， 金属贴片也可采用圆形或十字交叉。

18、形或树枝形， 金属贴片 5 形成电感 L， 相邻金属贴片 5 之间设有缝隙 6， 该缝隙 6 形成电容 C， 相邻金属贴片之间连 接有电阻 7， 电阻的阻值为 1-500 欧姆。该电容 C、 电感 L 和电阻 R 组成 RLC 谐振电路， 通过 调整该谐振电路的频率， 使其与天线的工作频率重合， 实现对垂直入射表面波的吸收， 从而 达到了天线在带内的电磁隐身。 0026 根据上述结构本发明给出如下实施例 ： 0027 实施例 1 0028 介质板1的长度L1为3， 宽度W1为， 相对介电常数为4.4， 厚度为0.06。 微 带辐射单元 2 的长度 L2 为 0.3， 宽度 W2 为 0.2， 。

19、过孔 8 的直径 D 为 1.3mm， 相邻两个微 带辐射单元的中心间距 S 为 0.8。方形金属贴片 5 的长和宽 W 均为 0.14， 相邻金属贴 片 5 间缝隙 6 的宽度 G 为 0.02。结构型吸波材料阵列 4 与微带辐射单元 2 的相邻边的 距离 S1 为 0.075， 电阻 7 阻值为 150 欧姆。微带辐射单元 2 的个数 n 4， 上表面为辐射 面， 下表面为接地面， 上下表面由 SMA 头相连。通过改变金属贴片 5 间缝隙 6 的宽度 G 可调 节电容 C， 改变金属贴片 5 的宽度 W 可改变电感 L， 连接不同的阻值的电阻可改变电阻 R， 通 过改变 RLC 调节谐振电。

20、路频率， 使其与天线的工作频率一致， 实现对入射表面波的吸收频 率的调谐。 0029 实施例 2 0030 介质板1的长度L1为6， 宽度W1为， 相对介电常数为4.4， 厚度为0.03。 微 带辐射单元 2 的长度 L2 为 0.3， 宽度 W2 为 0.2， 过孔 8 的直径 D 为 1.3mm， 相邻两个微 带辐射单元的中心间距 S 为 。本实施例为十字交叉金属贴片， 其长和宽 W 均为 0.05， 相邻金属贴片 5 间缝隙 6 的宽度 G 为 0.06。结构型吸波材料阵列 4 与微带辐射单元 2 的 相邻边的距离 S1 为 0.32， 电阻 7 阻值为 500 欧姆。微带辐射单元 2 。

21、的个数 n 8， 上表 面为辐射面， 下表面为接地面， 上下表面由 SMA 头相连。通过改变金属贴片 5 间缝隙 6 的宽 度 G 可调节电容 C， 改变金属贴片 5 的宽度 W 可改变电感 L， 连接不同的阻值的电阻可改变 说 明 书 CN 102227040 A CN 102227049 A4/4 页 6 电阻 R， 通过改变 RLC 调节谐振电路频率， 使其与天线的工作频率一致， 实现对入射表面波 的吸收频率的调谐。 0031 实施例 3 0032 介质板 1 的长度 L1 为 25， 宽度 W1 为 ， 相对介电常数为 4.4， 厚度为 0.02。 微带辐射单元 2 的长度 L2 为 。

22、0.3， 宽度 W2 为 0.2， 过孔 8 的直径 D 为 1.3mm， 相邻两个 微带辐射单元的中心间距 S 为 2。本实施例为圆形金属贴片， 其直径 W 为 0.5， 相邻金 属贴片 5 间缝隙 6 的宽度 G 为 0.01。结构型吸波材料阵列 4 与微带辐射单元 2 的相邻边 的距离 S1 为 0.15， 电阻 7 阻值为 1 欧姆。微带辐射单元 2 的个数 n 128， 上表面为辐 射面， 下表面为接地面， 上下表面由 SMA 头相连。通过改变金属贴片 5 间缝隙 6 的宽度 G 可 调节电容 C， 改变金属贴片 5 的宽度 W 可改变电感 L， 连接不同的阻值的电阻可改变电阻 R，。

23、 通过改变 RLC 调节谐振电路频率， 使其与天线的工作频率一致， 实现对入射表面波的吸收 频率的调谐。 0033 本发明的效果可通过以下仿真和测试结果进一步说明 ： 0034 图 3 为本发明与现有的微带贴片阵列天线的 RCS 比对曲线图， 入射波垂直照射且 与天线极化方式相同。从图 3 中可以看出， 本发明由于结构型吸波材料的吸波频率与天线 工作频率重合， 因此在 5.7GHz 附近， 天线的雷达散射截面得到了最大的减缩， 并且直至天 线工作频带以外的 11GHz 高频段， 天线的雷达散射截面都得到了有效的减缩， 实现了对垂 直入射的带内和带外同极化雷达波的隐身。 0035 图 4 为本发。

24、明与现有的微带贴片阵列天线反射系数 S11 的比对曲线图， 其中图 4(a)是仿真结果， 图4(b)为测试结果。 从图4中可以看出， 与现有阵列天线相比， 本发明阵 列天线的反射系数S11稍有增加， 但是其在-10dB工作带宽并没有明显变化， 测试结果与仿 真结果吻合良好。 0036 图 5 为本发明与现有的微带贴片阵列天线的 E 面方向图比对曲线图， 其中图 5(a) 是仿真结果， 图 5(b) 为测试结果。从图 5 中可以看出， 与现有阵列天线相比， 本发明阵列天 线 E 面方向图并没有明显变化， 测试结果与仿真结果吻合良好。 0037 图 6 为本发明与现有的微带贴片阵列天线的 H 面方。

25、向图比对曲线图， 其中图 6(a) 是仿真结果， 图 6(b) 为测试结果。从图 6 中可以看出， 与现有阵列天线相比， 本发明阵列天 线的 H 面方向图并没有明显变化， 测试结果与仿真结果吻合良好。 0038 以上所述， 仅为本发明的优选实例而已， 不构成对本发明的任何限制， 显然在本发 明的构思下， 任何人可根据本发明的内容进行修改、 等同替换和改进等， 但这些均仍属本发 明涵盖的范围内。 说 明 书 CN 102227040 A CN 102227049 A1/6 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102227040 A CN 102227049 A2/6 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102227040 A CN 102227049 A3/6 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102227040 A CN 102227049 A4/6 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 102227040 A CN 102227049 A5/6 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 102227040 A CN 102227049 A6/6 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 102227040 A 。