一种用于微带天线rcs缩减的超材料天线
阅读说明：本技术 一种用于微带天线rcs缩减的超材料天线 (Metamaterial antenna for reducing RCS (radar cross section) of microstrip antenna ) 是由 刘玥岑 费莉 牟雎 李文娟 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及天线领域,公开了一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线,包括公共接地板,设置在公共接地板上的介质基板,设置在介质基板几何中心的矩形辐射贴片,设置在公共接地板上并与所述矩形辐射贴片接触的同轴馈电端口,设置在所述矩形辐射贴片四周并正交排列的两种尺寸不同的超材料单元,所述超材料单元根据尺寸的不同可以产生不同谐振频率的反射波,使得两种尺寸不同的所述超材料单元的反射波相位差将在微带天线的工作频段发生改变,使得单元尺寸大小不同的超材料的反射波可以互相抵消,进而实现微带天线雷达散射截面积(RCS)缩减的目标。(The invention relates to the field of antennas, and discloses a metamaterial antenna for reducing the RCS of a microstrip antenna, which comprises a common ground plate, a dielectric substrate arranged on the common ground plate, a rectangular radiation patch arranged at the geometric center of the dielectric substrate, a coaxial feed port arranged on the common ground plate and in contact with the rectangular radiation patch, and two metamaterial units which are arranged around the rectangular radiation patch and are in orthogonal arrangement and have different sizes, wherein the metamaterial units can generate reflected waves with different resonant frequencies according to different sizes, so that the phase difference of the reflected waves of the metamaterial units with different sizes can be changed in the working frequency band of the microstrip antenna, the reflected waves of the metamaterials with different sizes of the units can be mutually counteracted, and the target of reducing the radar scattering cross section (RCS) of the microstrip antenna is realized.)
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线。
背景技术
随着无线通信技术，雷达，电子对抗，侦察的发展，天线技术得到了迅速的发展。在民用方面，5G移动通信技术的进展，各种移动终端的休闲，多功能天线得到了更加广泛的应用。
在民用方面，如何减少其他电磁辐射源对所所设计的天线的影响，已经成为一个不可忽视的现实问题，减少所设计的天线的散射特性是一种有效解决上述问题的方式。而在军用设备中，天线作为设备的最前端，且具有较强的辐射性能，所以导致载体的散射较差，使得载体极容易被对方侦察到，并进行攻击。因此，减小天线的散射特性同样是一种实现隐身功能的重要手段。
雷达散射面积(RCS)是反映目标物体散射特性的物理量，目标物体的雷达截面积越大，表示物体的散射特性越差，目标也会容易被发现。
现有的在天线不工作时加装伪装和利用带通型频率选择表面的方式对于雷达散射面积的减少都增加了天线的复杂度，使得不便于使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线，旨在通过调节本发明所设计的超材料单元的大小，并将该大小不同的超材料单元按照正交排列的方式布置在微带天线的周围，并且使得该超材料在大小不同时，使其在微带天线工作频段内的相位反射差为180°。大小不同的超材料的反射波相互干涉，把天线法线方向的反射能量转移到其他方向，由此实现微带天线RCS 减小的设计。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线，包括公共接地板，设置在公共接地板上的介质基板，设置在介质基板几何中心的矩形辐射贴片，设置在公共接地板上并与所述矩形辐射贴片接触的同轴馈电端口，设置在所述矩形辐射贴片四周并正交排列的两种尺寸不同的超材料单元，所述超材料单元根据尺寸的不同可以产生不同谐振频率的反射波。
其中，所述超材料单元包括正方形金属环、正方形贴片、两个第一U型金属贴片和尺寸大于所述第一U型金属贴片的两个第二U型金属贴片，所述正方形贴片设置在所述正方形金属环内部几何中心，两个所述第二U型金属贴片与所述正方形贴片连接，并对称设置在所述正方形贴片两侧，两个所述第一U型金属贴片对称设置在所述正方形贴片和所述第二U型金属贴片之间，并与所述正方形金属环连接。
其中，所述第二U型金属贴片的每一部分到所述正方形金属环的距离相等，所述第一U型金属贴片的每一部分到所述正方形贴片的距离相等。
其中，调整所述第二U型金属贴片和所述正方形金属环之间的距离可以产生不同谐振频率的反射波。
其中，多个所述超材料单元正交排列构成超材料阵列，两种尺寸不同的所述超材料阵列设置在所述矩形辐射贴片四周，并正交排列。
其中，所述同轴馈电端口的内导体与所述矩形辐射贴片连接，所述同轴馈电端口的外导体与所述公共接地板连接。
本发明的一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线，将单元尺寸大不同的超材料单元按照正交排列的方式放置在微带天线周围，所述超材料单元通过调节单元的尺寸大小，可以产生不同谐振频率的反射波，从而使得两种尺寸不同的所述超材料单元的反射波相位差将在微带天线的工作频段发生改变，使得单元尺寸大小不同的超材料的反射波可以互相抵消，进而实现微带天线雷达散射截面积(RCS)缩减的目标。本发明可以突破传统棋盘型正交反射屏的反射相位受到AMC反射相位的束缚，使得天线的结构更加简单，微带天线雷达散射截面积(RCS)缩减的方式非常简单，加工方便，成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是发明所设计的超材料单元的单元尺寸不同时随单元中金属贴片的缝隙宽度变化的反射相位差的仿真结果图；
图2是本发明所设计通过加载大小不同的按照正交排列方式的超材料的微带天线雷达反射截面积(RCS)缩减的仿真结果图；
图3是本发明的一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线的俯视图；
图4是本发明的一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线的侧视图；
图5是本发明的超材料单元的结构图；
图6是本发明的一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线带有超材料阵列的结构图；
图7是本发明的一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线带有定位柱和卡柱的结构图。
1-公共接地板、2-矩形辐射贴片、3-同轴馈电端口、4-超材料单元、5-介质基板、11-定位柱、12-卡柱、41-正方形金属环、42-正方形贴片、43-第一U型金属贴片、44-第二U型金属贴片、51-定位槽、52-突起。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1～图7，本发明提供一种用于微带天线RCS缩减的超材料天线，包括：
公共接地板1，设置在公共接地板1上的介质基板5，设置在介质基板5几何中心的矩形辐射贴片2，设置在公共接地板1上并与所述矩形辐射贴片2接触的同轴馈电端口3，设置在所述矩形辐射贴片2四周并正交排列的两种尺寸不同的超材料单元4，所述超材料单元4根据尺寸的不同可以产生不同谐振频率的反射波。
在本实施方式中，将单元尺寸大不同的超材料单元4按照正交排列的方式放置在微带天线周围，所述超材料单元4通过调节单元的尺寸大小，可以产生不同谐振频率的反射波，从而使得两种尺寸不同的所述超材料单元4的反射波相位差将在微带天线的工作频段发生改变，使得单元尺寸大小不同的超材料的反射波可以互相抵消，进而实现微带天线雷达散射截面积(RCS)缩减的目标。本发明可以突破传统棋盘型正交反射屏的反射相位受到AMC反射相位的束缚，使得天线的结构更加简单，微带天线雷达散射截面积(RCS)缩减的方式非常简单，加工方便，成本低廉。
进一步的，所述超材料单元4包括正方形金属环41、正方形贴片42、两个第一U型金属贴片43和尺寸大于所述第一U型金属贴片43的两个第二U型金属贴片44，所述正方形贴片42设置在所述正方形金属环41内部几何中心，两个所述第二U型金属贴片44与所述正方形贴片42连接，并对称设置在所述正方形贴片42两侧，两个所述第一U型金属贴片43对称设置在所述正方形贴片 42和所述第二U型金属贴片44之间，并与所述正方形金属环41连接。所述第二U型金属贴片44的每一部分到所述正方形金属环41的距离相等，所述第一 U型金属贴片43的每一部分到所述正方形贴片42的距离相等。调整所述第二U 型金属贴片44和所述正方形金属环41之间的距离可以产生不同谐振频率的反射波，两种尺寸不同的超材料单元4的反射波相位为180度时，反射波将干涉消除。
在本实施方式中，所述正方形金属环41和所述正方形贴片42之间通电后会有电容产生，同时内外两部分金属贴片自身也会产生电感，分别为L1与L2。由此，所设计的AMC结构会形成f1与f2两个谐振频率。通过调节所述第二U 型金属贴片和所述正方形金属环41的距离时，使所述超材料单元4的谐振频率发生改变。
不同单元尺寸的所述超材料单元4将与所述公共接地板1共同构成俩种人工磁导体AMC1和AMC2。同时AMC1和AMC2的反射波相位差将在微带天线的工作频段发生改变。
进一步的，多个所述超材料单元4正交排列构成超材料阵列，两种尺寸不同的所述超材料阵列设置在所述矩形辐射贴片四周，并正交排列。
在本实施方式中，通过设置多个所述超材料单元4可以增强缩减效果。
进一步的，所述同轴馈电端口3的内导体与所述矩形辐射贴片2连接，所述同轴馈电端口3的外导体与所述公共接地板1连接。
在本实施方式中，本发明采用同轴馈电点的方式对天线进行馈电，所述同轴馈电端口3的内导体与所述矩形辐射贴片2相连接，外导体与所述公共接地板1相连接进行平衡馈电。
进一步的，所述公共接地板具有定位柱11，所述介质基板具有定位槽51，所述定位柱11位于所述定位槽51内；所述公共接地板具有卡柱12，所述介质基板具有突起52，所述突起52与所述卡柱12可拆卸连接，并位于所述卡柱12 的一侧。
在本实施方式中，所述定位柱11设置在所述定位槽51中，可以使得在贴合所述介质基板和所述公共接地板时更加稳定，位置更加准确而不会偏移，所述卡柱12由弹性材料制成，通过所述卡柱12将所述突起52围合以加强所述介质基板和所述公共接地板之间的连接，使得放置更加稳定。
传统的棋盘式人工磁导体可以实现天线的雷达散射截面积(RCS)缩减的目的，但该技术其中的一个人工磁导体(AMC)为一个矩形金属贴片，因此，该单元受空间尺寸限制影响较大，而只能对另外一个人工磁导体单元进行调节。对比该传统技术，本发明所设计的超材料受空间尺寸限制的影响更小，且可以灵活地调整超材料单元4进而实现反射波相互抵消的目的。
为了验证本发明的有效性，设所述的第二U型金属贴片到所述正方形金属环41之间的距离为t，由于超材料单元的谐振频率是由超材料单元自身的电感与电感所共同作用形成的，而超材料金属贴片之间的缝隙主要影响超材料自身的电容，而超材料单元整体的尺寸的大小主要影响超材料单元的自身电感。当超材料单元的整体尺寸变大的时候，自身的电感将增大，因此谐振频率将变小。当超材料单元的整体尺寸不变而金属贴片之间的缝隙变大时，自身的电容变大，因此超材料单元的谐振频率将变小。因此，当调节超材料单元得整体尺寸大小于金属贴片之间缝隙的宽度时，超材料单元的反射相位都将产生变化。因此，对于该超材料单元，当其单元整体尺寸与金属贴片之间缝隙宽度变化时，该超材料单元的反射相位也将随谐振频率产生变化。由于本发明采用的是同一个超材料单元，但是以两种尺寸大小不同的超材料按照棋盘式方式排列，因此两种超材料单元之间将自然存在相位差。因此，调节两种超材料单元的整体大小与金属贴片之间缝隙的宽度时，即可以调节两种超材料单元之间的相位差。在本发明中，为了减少对两种超材料单元整体尺寸大小的调节工作量，将两种超材料设置为固定的6mm与3.5mm，此时，两种超材料单元由于尺寸大小不同所引起的相位差最明显。其次，可以调节两种超材料单元金属贴片之间的缝隙宽度，就可以对两种超材料单元之间的相位差进行更加细致的调节。图1是本发明所设计的两种固定尺寸的超材料单元随单元中金属贴片的缝隙宽度变化的反射相位差的仿真结果图，图中显示了随着两种超材料单元的金属贴片之间缝隙宽度的增大，两种超材料单元之间的反射相位差先增大后减小。在缝隙宽度为 0.25mm时，两种超材料单元之间的相位差最大为180°。即可以满足反射波反相相互抵消的要求。
图2是本发明所设计通过加载大小不同的按照正交排列方式的超材料的微带天线雷达反射截面积(RCS)缩减的仿真结果图，图中显示了在微带天线周围添加了按照正交排列方式分布的两种超材料之后，微带天线在添加人工导磁体正交反射屏后的单站RCS比未添加人工导磁体正交反射屏的RCS显著减小。在最大辐射方向的RCS降低约25dB，由于天线的全反射特性使该天线在法线方向上的雷达截面积最小。从图2可以看出，天线的法线方向上的波束最小的雷达截面积为-29dB。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。