專利名稱：低雷達(dá)散射截面的寬帶仿生八木天線的制作方法
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，可用于隱身和寬頻帶的端射接收和發(fā)射。
背景技術(shù)：
雷達(dá)散射截面RCS是雷達(dá)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(dá)散射截面減縮就是控制和降低軍用目標(biāo)的雷達(dá)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(dá)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(dá)散射截面貢獻(xiàn)較大的是平臺上的天線。減縮天線單元的雷達(dá)散射截面對于減縮大型陣列天
線的雷達(dá)散射截面尤為重要。但是由于天線系統(tǒng)自身工作特點(diǎn)，它必須保證自身雷達(dá)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(dá)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(fù)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(fù)載時的散射場，其散射機(jī)理與普通散射體相同；另一部分則是隨天線的負(fù)載情況變化的天線模式項散射場，它是由于負(fù)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(fù)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(dá)散射截面特性。在雷達(dá)探測系統(tǒng)中，要求接收與發(fā)射信號的天線陣列具備良好的空氣動力學(xué)特性的同時，還要更好的與載體共形。端射天線以其獨(dú)特的方向圖特性解決了雷達(dá)“盲區(qū)”問題。八木天線是一種典型的端射天線。圖I給出了一種傳統(tǒng)的印刷式八木天線，雙層介質(zhì)材料板最頂層印制有三個寬度均為4. 4毫米長度遞減的引向器，寬度為4. 4毫米長度為10. 5毫米的兩個輻射單元分別印制在雙層介質(zhì)材料板的最頂層和最底層，矩形反射器印制在雙層介質(zhì)材料板的中間層。該天線雖具有良好的工作頻帶，但是輻射單元、引向器和反射器使其雷達(dá)散射截面增高，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天線的缺點(diǎn)，提出一種低雷達(dá)散射截面的寬帶仿生八木天線，以易于天線的隱身和與載體的共形。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
I.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(jìn)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。葉片是植物光合作用的重要器官，通過特定的葉片形狀與葉序結(jié)構(gòu)植物可以更好地與空間進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換。因而在一定意義上植物葉片的功能與天線的功能是相似的。所以本發(fā)明的技術(shù)思路是將對生葉序植物的葉片結(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，八木天線的輻射單元形狀、引向器形狀和反射器形狀決定該天線的性能。根據(jù)仿生學(xué)原理，本發(fā)明的引向器仿生羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)，輻射單元采用橢圓形貼片，反射器采用具有齒狀結(jié)構(gòu)的矩形貼片，這些有利于降低天線的雷達(dá)散射截面和展寬天線的工作頻帶。2.天線結(jié)構(gòu)本發(fā)明的低雷達(dá)截面寬帶仿生八木天線包括兩個輻射單元3、三個引向器2、反射器5、平行帶線4和同軸轉(zhuǎn)換接頭6，天線的兩個輻射單元3分別印制在雙層介質(zhì)材料板I的最頂層和最底層，兩個輻射單元3通過平行帶線4連接在同軸轉(zhuǎn)換接頭6上；三個引向器2印制在雙層介質(zhì)材料板I的最頂層，且其尺寸依次遞減；反射器5印制在第一層介質(zhì)材料板的底層，即雙層介質(zhì)材料板I的中間層，其特征在于兩個輻射單元3采用一對橢圓形貼片；三個引向器2仿生三對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)；反射器5采用等間距分布的齒狀矩形貼片。作為優(yōu)選，所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于三對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)的三個引向器2，大小依次遞減，且距離兩個輻射單元3最近的引向器尺寸最大。作為優(yōu)選，所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于每對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)的引向器，由三個橢圓做邏輯運(yùn)算生成，即通過將兩側(cè)的橢圓分別與中間的橢圓取交集，取兩個交集的并集予以保留，并刪除多余的橢圓部分，得到一對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)的引向器。作為優(yōu)選，所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于橢圓形的兩個輻射單元3的長軸與短軸之比均為3:1。作為優(yōu)選，所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于平行帶線4由三對矩形貼片組成，這三對矩形貼片的長度比為30:57:65，寬度比為12:23:35。作為優(yōu)選，所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于反射器(5)的齒狀結(jié)構(gòu)與反射器的長度比為1:12，寬度比為2:35。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明由于天線仿生對生葉序植物葉片結(jié)構(gòu)，將兩個輻射單元3均設(shè)計為橢圓形結(jié)構(gòu)，三個引向器2仿生三對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)，并將反射器5設(shè)計為等間距分布的齒狀矩形貼片，從而有效地減小了兩個輻射單元3和三個引向器2和反射器5的表面覆蓋面積，使其與現(xiàn)有同種天線相比具有更低的雷達(dá)散射截面，便于實現(xiàn)天線隱身；同時兩個輻射單元3的橢圓結(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；此外通過將天線的三個引向器2和兩個輻射單元3印制在雙層介質(zhì)材料板I的表層，將反射器5印制在雙層介質(zhì)·材料板I的中間層，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)明天線同時具有寬頻帶特性和低雷達(dá)散射截面特性。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(dá)散射截面比現(xiàn)有的天線低，更易于天線的隱身。


圖I是傳統(tǒng)的印刷式八木天線整體結(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)明天線的引向器結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明天線的輻射單元和平行帶線結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明天線的反射器結(jié)構(gòu)圖；
圖6是本發(fā)明天線和參考天線的回波損耗曲線對比圖；圖7是本發(fā)明天線和參考天線工作在5. 5GHz時E面方向圖對比圖和H面方向圖對比圖；圖8是本發(fā)明天線和參考天線工作在7. 5GHz時E面方向圖對比圖和H面方向圖對比圖；圖9是本發(fā)明天線與參考天線單站雷達(dá)散射截面對比圖。
具體實施例方式參照圖2，本發(fā)明主要由雙層介質(zhì)材料板I、三個引向器2、兩個輻射單元3、平行帶線4、反射器5和同軸轉(zhuǎn)換接頭6構(gòu)成。三個引向器2印制在雙層介質(zhì)材料板I的最頂層，兩個輻射單元3分別印制在雙層介質(zhì)材料板I的最頂層和最底層，反射器5印制在雙層介質(zhì)材料板I的兩層之間。兩個輻射單元3通過平行帶線4分別與同軸轉(zhuǎn)換接頭6的內(nèi)芯和外芯焊接在一起。其中三個引向器2的結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩個輻射單元3和平行帶線4的結(jié)構(gòu)如圖4所示,反射器5的結(jié)構(gòu)如圖5所示。參照圖3，本發(fā)明的每個引向器仿生一對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)，每個引向器由三個橢圓生成，三個橢圓位置按圖3擺放，分別選取左右兩個橢圓與中間橢圓的交集，即兩側(cè)橢圓與中間橢圓相重疊的兩部分，并選取這兩部分的并集，即將所選取的這兩部分合并成一個整體并予以保留，刪除多余的橢圓部分，便得到一對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)的引向器。三對羽毛狀葉片21、22、23的大小依次遞減，這三對羽毛狀葉片分別對應(yīng)第一引向器、第二引向器和第三引向器，其大小依次遞減，且距離兩個輻射單元3最近的第一引向器尺寸最大。參照圖4，所述兩個輻射單元3由橢圓形貼片31和32組成，這兩個橢圓形貼片大小相同，且分別印制在雙層介質(zhì)材料版I的最頂層和最底層，其長軸與短軸比均為3 :1，兩個輻射單元3通過平行帶線4分別與同軸轉(zhuǎn)換接頭6的內(nèi)芯和外芯相連。所述平行帶線4由三對矩形貼片41,42和43組成，這三對貼片長度比為30:57:65,寬度比為12:23:35。參照圖5，本發(fā)明的反射器5采用等間距分布的齒狀矩形貼片，各齒狀結(jié)構(gòu)相同且分布在反射器5的上邊緣,齒狀結(jié)構(gòu)數(shù)量為15,但不限于15,其中齒狀結(jié)構(gòu)51與反射器5的長度比為1:12，寬度比為2:35，反射器5印制在第一層介質(zhì)材料板的底層，即雙層介質(zhì)材料板I的兩層之間，該反射器的長度與雙層介質(zhì)材料板I的寬度相同。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)本發(fā)明給出如下實施例
雙層介質(zhì)材料板I是由兩層相對介電常數(shù)為2. 65的聚四氟乙烯材料板疊加而成，每層介質(zhì)材料板長為60毫米，寬為30毫米，厚度為O. 5毫米。三個引向器2仿生三對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)，其中生成第一引向器的三個橢圓短軸長度均為4. 6毫米，中間位置的橢圓長軸與短軸比為27:10，位于兩側(cè)的橢圓的長軸與短軸比均為16:5 ;生成第二引向器的三個橢圓短軸長度均為4. 2毫米，中間位置的橢圓長軸與短軸比為5:2，位于兩側(cè)的橢圓的長軸與短軸比均為3:1 ;生成第三引向器的三個橢圓短軸長度均為4. 4毫米，中間位置的橢圓長軸與短軸比為11:5，位于兩側(cè)的橢圓長軸與短軸的比均為27:10。第一引向器與第二引向器之間的距離Dl為8. 5毫米；第二引向器與第三引向器之間的距離D2為8. 2毫米；雙層介質(zhì)材料板I的上邊緣與第三引向器的距離D3為8. 3毫米。三個引向器2印制到雙層介質(zhì)材料板I的最頂層，并在銅箔表面圖形上形成耐酸性的保護(hù)層。兩個輻射單元3為兩個短軸長度均為4. 4毫米，長軸與短軸比為3 1的橢圓形貼片，兩個輻射單元3分別印刷在雙層介質(zhì)材料板I最頂層和最底層，并在銅箔表面圖形上形 成耐酸性的保護(hù)層。平行帶線4由三對矩形貼片構(gòu)成。其中第一對矩形貼片41長6毫米，寬I. 2毫米；第二對矩形貼片42長11. 4毫米，寬2. 3毫米；第三對矩形貼片43長13毫米，寬3. 5毫米，平行帶線4印刷在雙層介質(zhì)材料板I最頂層和最底層，并在銅箔表面圖形上形成耐酸性的保護(hù)層。反射器5采用等間距分布的齒狀矩形貼片，其下邊緣與雙層介質(zhì)材料板I的下邊緣相距2毫米。齒狀結(jié)構(gòu)51長度為2. 5毫米，寬度為I毫米；反射器5長度為30毫米，寬度為17. 5毫米。反射器2印制到第一層材料板的下表面，并在銅箔表面圖形上形成耐酸性的保護(hù)層。在雙層介質(zhì)材料板I印制完后,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(jìn)行電鍍，最后對整體進(jìn)行裁剪修整，并將兩層介質(zhì)材料板固定在一起，最后將同軸轉(zhuǎn)接頭6焊接到介質(zhì)材料板I上，將其內(nèi)芯與上層平行帶線焊接，將其外芯與下層平行帶線焊接，完成天線制作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可通過以下仿真進(jìn)一步說明I、仿真內(nèi)容利用仿真軟件對上述天線的回波損耗、遠(yuǎn)場輻射方向圖、和單站雷達(dá)散射截面進(jìn)行仿真計算。2、仿真結(jié)果圖6為本發(fā)明天線和參考天線的回波損耗曲線對比圖。通過圖6可發(fā)現(xiàn)，在輻射單元寬度相同情況下，本發(fā)明天線在回波損耗曲線小于-IOdB條件下的工作頻帶為
4.53GHz 8. 61GHz,比參考天線的工作頻帶(4. 78GHz 8. 26GHz)展寬了 600MHz。說明本發(fā)明天線具有更好的寬帶特性。圖7為本發(fā)明天線和參考天線工作在5. 5GHz時E面方向圖對比圖和H面方向圖對比圖，圖8為本發(fā)明天線和參考天線工作在7. 5GHz時E面方向圖對比圖和H面方向圖對比圖。從圖7和圖8可以看出，天線的最大輻射方向在工作頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定。說明本發(fā)明天線具有良好的寬帶方向圖特性。
圖9為計算出的本發(fā)明天線與傳統(tǒng)天線的單站雷達(dá)散射截面對比圖，從圖9中可 看出，本發(fā)明天線在2GHz 18GHz的平面波照射下的單站雷達(dá)散射截面均小于等于傳統(tǒng)天線，說明本發(fā)明設(shè)計的天線具有比現(xiàn)有天線更優(yōu)的雷達(dá)散射截面，更適合在隱身目標(biāo)體上使用。
權(quán)利要求
1.一種低雷達(dá)散射截面的寬帶仿生八木天線，包括兩個輻射單元(3)、三個引向器(2)、反射器(5)、平行帶線(4)和同軸轉(zhuǎn)換接頭(6)，兩個輻射單元(3)分別印制在雙層介質(zhì)材料板(I)的最頂層和最底層，兩個輻射單元(3)通過平行帶線(4)連接在同軸轉(zhuǎn)換接頭(6)上；三個引向器(2)印制在雙層介質(zhì)材料板(I)的最頂層，且其尺寸依次遞減；反射器(5)印制在第一層介質(zhì)材料板的底層，即雙層介質(zhì)材料板(I)的中間層，其特征在于兩個輻射單元(3)采用一對橢圓形貼片；三個引向器(2)仿生三對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)；反射器(5)采用等間距分布的齒狀矩形貼片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于三對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)的三個引向器(2)，大小依次遞減，且距離兩個輻射單元(3)最近的引向器尺寸最大。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于每對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)的引向器，由三個橢圓做邏輯運(yùn)算生成，即通過將兩側(cè)的橢圓分別與中間的橢圓取交集，取兩個交集的并集予以保留，并刪除多余的橢圓部分，得到一對羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)的引向器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于橢圓形的兩個輻射單元(3)的長軸與短軸之比均為3:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于平行帶線(4)由三對矩形貼片組成，這三對矩形貼片的長度比為30:57:65，寬度比為12:23:35。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬帶仿生八木天線，其特征在于反射器(5)的齒狀結(jié)構(gòu)與反射器(5)的長度比為1:12，寬度比為2:35。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低雷達(dá)散射截面的寬帶仿生八木天線，主要解決現(xiàn)有八木天線雷達(dá)散射截面高，帶寬相對較窄的問題。該天線仿生對生葉序植物葉片結(jié)構(gòu)，包括引向器(2)、輻射單元(3)、平行帶線(4)、反射器(5)和同軸轉(zhuǎn)換接頭(6)，其中輻射單元(3)采用橢圓形結(jié)構(gòu)，引向器(2)仿生羽毛狀葉片結(jié)構(gòu)，反射器(4)為具有齒狀結(jié)構(gòu)的矩形貼片。輻射單元(3)印制在雙層介質(zhì)材料板(1)的最頂層和最底層，并通過平行帶線(4)分別與同軸轉(zhuǎn)換接頭(6)的內(nèi)外芯相連；引向器(2)印刷在雙層介質(zhì)材料板(1)的最頂層；反射器(4)印刷在雙層介質(zhì)材料板(1)的兩層之間。本發(fā)明具有頻帶寬、隱身性能好的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于隱身目標(biāo)載體上。
文檔編號H01Q1/38GK102931481SQ201210476490
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者劉 英, 薛金陽, 易浩, 洪濤, 姜文, 王偉 申請人:西安電子科技大學(xué)