專利名稱：基于完全吸收器的低rcs微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微帶天線，特別涉及一種基于完全吸收器的微帶天線，利用超材料完全吸收器對電磁波的吸收作用，減小天線的雷達(dá)散射截面(Radar CrossSection, RCS)。
背景技術(shù)：
在電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)飛速發(fā)展的今天，如何降低天線的雷達(dá)散射截面(RCS)使天線系統(tǒng)免受電子干擾、免遭敵方雷達(dá)的探測和攻擊而有效的工作，已經(jīng)不僅關(guān)系到天線系統(tǒng)的生命力，而且影響到其載體的電磁隱身性能，從而直接影響天線載體如飛行器等的生存能力。因此，開發(fā)和設(shè)計地雷達(dá)散射截面的機(jī)載天線系統(tǒng)具有十分重要的意義。微帶天線作為一種新型的天線，其具有體積小、重量輕、剖面低、易共形、易集成以及低成本等優(yōu)點(diǎn)得到人們的青睞，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信、移動通信等各種無線通信設(shè)備中，但微帶天線也有諸如效率低、增益低等缺點(diǎn)，并且由于微帶天線的諧振特性，使其在諧振頻率上有較高的RCS值，如何降低微帶天線的RCS成為亟待解決的問題。超材料是一種由人工設(shè)計為結(jié)構(gòu)組成的材料，按周期或非周期性的排列方式組成，并且材料的工作波長遠(yuǎn)大于這些微結(jié)構(gòu)。2008年Landy在超材料的基礎(chǔ)上提出了一種完美吸收器，當(dāng)電磁波入射到完全吸收器時，其對電磁波既不反射也不透射的作用，表現(xiàn)出完全吸收特性?；诔牧系耐耆掌饔捎谄渫昝赖奈针姶挪ǖ奶厥庑阅転樵O(shè)計性能優(yōu)異的微波吸收器件和實(shí)現(xiàn)天線隱身打開了新的研究思路。本發(fā)明將超材料完全吸收器和普通微帶天線嵌套起來，利用完全吸收器對電磁波的吸收作用降低天線的RCS。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種低RCS的微帶天線，通過超材料吸收器和微帶天線的嵌套組合降低微帶天線的RCS。該超材料吸收器是在具有金屬接地板的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板上刻蝕多種不同幾何參數(shù)的圓片或者圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成，并且通過調(diào)控圓片或圓環(huán)的種類，可調(diào)節(jié)吸收帶寬，即增加圓片或圓環(huán)的種類，可擴(kuò)展完全吸收器的帶寬。當(dāng)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的種類在從兩種擴(kuò)展到八種不同圓環(huán)組合時，即當(dāng)取圓片半徑介于2. 8mm至4. 15mm之間時,按不同種類排列，可使50%吸收率的 吸收帶寬在O. 45GHz至3.1GHz之間調(diào)節(jié)。當(dāng)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的種類在從兩種擴(kuò)展到八種不同圓環(huán)組合時，即當(dāng)圓環(huán)外環(huán)半徑介于3. 05mm至4. 05mm之間，且每種圓環(huán)的內(nèi)環(huán)半徑與外環(huán)半徑之差均為2. 2_時，將其按不同種類排列，50%吸收率帶寬可在O. 55GHz至3. 52GHz之間調(diào)節(jié)。微帶天線是在聚四氟乙烯介質(zhì)板上通過刻蝕技術(shù)制作而成的微帶天線。通過調(diào)節(jié)完全吸收器的幾何參數(shù)使其吸收頻段包括微帶天線的工作頻段，利用完全吸收器對電磁波的吸收作用實(shí)現(xiàn)RCS的減縮。由于本發(fā)明的吸收器帶寬可以通過調(diào)節(jié)圓片或者圓環(huán)的種類進(jìn)行調(diào)控，因此，根據(jù)不同帶寬的微帶天線，可選用不同帶寬的吸收器。本發(fā)明的超材料完全吸收器和微帶天線的組合僅由單層結(jié)構(gòu)便可實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，便于制備，減縮效果明顯。相比較于未加吸收器的微帶天線，正向(零度方向)RCS減小8dB-15dB,同時天線仍保持很好的輻射性能。


圖1本發(fā)明實(shí)施例一的完全吸收器的結(jié)構(gòu)單元示意圖和吸收特性圖2本發(fā)明實(shí)施例一的基于完全吸收器的微帶天線示意圖
圖3本發(fā)明實(shí)施例一的基于完全吸收器的微帶天線性能圖4本發(fā)明實(shí)施例二的基于完全吸收器的微帶天線性能圖5本發(fā)明實(shí)施例三的完全吸收器的結(jié)構(gòu)單元示意圖和吸收特性圖6本發(fā)明實(shí)施例三的基于完全吸收器的微帶天線性能圖7本發(fā)明實(shí)施例四的寬頻帶完全吸收器的結(jié)構(gòu)單元示意圖和吸收特性圖8本發(fā)明實(shí)施例四的基于完全吸收器的寬頻帶微帶天線示意9本發(fā)明實(shí)施例四的基于完全吸收器的寬頻帶微帶天線性能具體實(shí)施方式
采用電路板刻蝕技術(shù)制作基于完全吸收器的低RCS微帶天線，首先采用電路板刻蝕技術(shù)制備完全吸收器，在厚度為O. 8mm的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板11 (相對介電常數(shù)為4. 65、損耗角正切為O. 025)的正面刻蝕不同大小的金屬銅圓片結(jié)構(gòu)或者金屬銅圓環(huán)結(jié)構(gòu)12，介質(zhì)基板的反面為金屬銅接地板，其幾何大小與環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板的大小相同，設(shè)計的完全吸收器單元為1X1 =40mmX40mm。將完全吸收器按照3X3單元陣列排布，并將其中間一個單元去掉使其鏤空以便與天線整合。然后再制備微帶天線，在厚度為O. 8mm、幾何 大小為40mmX 40mm的聚四氟乙烯介質(zhì)基板21 (相對介電常數(shù)為2. 65、損耗角正切為O. 009)的一面刻蝕金屬銅輻射貼片22或銅輻射貼片和寄生貼片23，在另一面為金屬銅接地板，采用同軸饋電的方式給天線饋電24，將普通微帶天線嵌入完全吸收器中間的鏤空處，組合成為本發(fā)明中的基于完全吸收器的低RCS微帶天線。本發(fā)明實(shí)施例中使用了四種不同帶寬的完全吸收器，將以上的完全吸收器分別和相應(yīng)頻段工作的微帶天線組合，得到不同工作頻段的低RCS微帶天線。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程和材料性能由實(shí)施例和

實(shí)施例一采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為O. 8mm、相對介電常數(shù)為4. 65、損耗角正切為
O.025的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板的正面刻蝕四種不同大小的金屬銅圓片結(jié)構(gòu)單元(其半徑分別為r1; r2, r3, r4)，介質(zhì)基板的反面完全覆蓋金屬銅，結(jié)構(gòu)單元的大小為1X1 =40mmX 40mm,各種不同圓片的半徑分別為!T1 = 3. 9mm>r2 = 3. 8mm、r3 = 4. Omnur4 = 4. 1mm,四種圓片的排布方式如圖1(a)所示。將吸收器按照3X3單元陣列排列，并將其中間一個單元去掉，以便與天線整合。圖1(b)為完全吸收器的吸收特性，50%吸收率工作頻帶為
8.94GHz-9. 91GHz (吸收帶寬為O. 97GHz)。采用電路板刻蝕技術(shù)，在40mmX 40mm的聚四氟乙烯介質(zhì)(基板厚度O. 8mm、相對介電常數(shù)2. 65、損耗角正切O. 009)的正面中心刻蝕矩形貼片，矩形貼片為8. 5mmX9. 7mm，介質(zhì)基板背面為全金屬銅作為天線的接地板，采用背部饋電方式，饋電點(diǎn)位于貼片中心下方2. 3_處，將微帶天線嵌入完全吸收器中的鏤空處，使用強(qiáng)力膠將二者粘牢，制作成為基于完全吸收器的低RCS微帶天線(圖2)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例天線的性能，圖3(a)為天線的回波損耗特性，天線的中心頻率為9. 53GHz, IOdB工作頻帶為9. 25GHz-9. 9GHz，天線的工作頻段在吸收器的吸收頻段內(nèi)。圖3 (b)為中心頻率處天線的輻射模式，其具有較好的輻射特性。圖3(c)為天線的RCS，其零度方向RCS為-16dB。相比較于未加完全吸收器的相同大小的普通微帶天線，其零度方向RCS減小了 8. 2dB。實(shí)施例二采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為O. 8mm、相對介電常數(shù)為4. 65、損耗角正切為
O.025的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板的正面刻蝕四種不同大小(其半徑分別為r2, r3, r4)的金屬銅圓片結(jié)構(gòu)單元，介質(zhì)基板的反面完全覆蓋金屬銅，結(jié)構(gòu)單元的大小仍為1X1 =40mmX40mm，其結(jié)構(gòu)單元與圖1(a)相同，只是排布的圓片結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)不同，四種圓片的半徑分別為T1 = 3. 5mm、r2 = 3. 4mm、r3 = 3. 6mm、r4 = 3. 7mm,半徑相同的兩個相
鄰的同種圓片之間的距離仍為f〗，將吸收器按照3X3單元分布排列，并將其中間一個單
元去掉，以便與天線整合。對于這種幾何參數(shù)的吸收器，其50%以上吸收率工作頻帶為9. 85GHz-10. 9GHz (吸收帶寬為1. 05GHz)。采用電路板刻蝕技術(shù)，在40mmX 40mm的聚四氟乙烯介質(zhì)(基板厚度O. 8mm、相對介電常數(shù)2. 65、損耗角正切O. 009)的正面中心刻蝕矩形貼片，矩形貼片為7. SmmX9. 7mm，介質(zhì)基板背面為全金屬銅覆蓋，采用背部饋電方式，饋電點(diǎn)位于貼片中心下方2. 3mm處，將微帶天線嵌入完全吸收器的鏤空中，使用強(qiáng)力膠將二者粘牢，制作成為基于完全吸收器的微帶天線。圖4為本發(fā)明實(shí)施例天線的性能，圖4(a)為天線的回波損耗特性，天線的中心頻率為10. 18GHz, IOdB工作頻帶為9. 9GHz-10. 77GHz，天線的工作頻段在吸收器的吸收頻段內(nèi)。圖4(b)為中心頻率處天線的輻射模式，其具有較好的輻射特性。圖4(c)為天線的RCS，其零度方向RCS為-20. 6dB，相比較于未加完全吸收器的相同大小的普通微帶天線，其零度方向RCS減小了 12. ldB。實(shí)施例三采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為O. 8mm、相對介電常數(shù)為4. 65、損耗角正切為
O.025的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板的正面刻蝕六種不同大小(其半徑分別為A, r2, r3, r4, r5,r6)的金屬銅圓片結(jié)構(gòu)單元，介質(zhì)基板的反面完全覆蓋金屬銅，結(jié)構(gòu)單元的大小仍為1X1=40mmX40mm,圓片的半徑分別為!T1 = 3. 3mm、r2 = 3. 2mm、r3 = 3. 4mm、r4 = 3. 5mm，r5=3. 15mm、r6 = 3. 05mm,六種圓環(huán)的排布方式如圖5(a)所示,將完全吸收器按照3X3單元陣列排布，并將其中間一個單元去掉使其鏤空，以便與天線整合。圖5(b)為吸收器的吸收特性，對于此種排布的吸收器，其50 %以上吸收率工作頻帶為10. 81GHz-12. 57GHz (吸收帶寬為1.76GHz)。采用電路板刻蝕技術(shù),在40mmX40mm的聚四氟乙烯介質(zhì)(基板厚度O. 8mm、相對介電 常數(shù)2. 65、損耗角正切O. 009)的正面中心刻蝕矩形貼片，矩形貼片為
6.4mmX9. 6mm,介質(zhì)基板背面為全金屬銅覆蓋,采用背部饋電方式,饋電點(diǎn)位于貼片中心下方2. 3mm處，將微帶天線嵌入吸收器的鏤空中，使用強(qiáng)力膠將二者粘牢，制作成為超材料完全吸收器微帶天線。圖6為本發(fā)明實(shí)施例天線的性能，圖6(a)為天線的回波損耗特性，天線的中心頻率為11. 7GHz, IOdB工作頻帶為11. 33GHz-12. 15GHz，天線的工作頻段包含在吸收器的吸收頻段內(nèi)。圖6(b)為中心頻率處天線的輻射模式，天線具有較好的輻射特性，圖6(c)為天線的RCS，其零度方向RCS為-17. 5dB，相比較于未加完全吸收器的相同大小的普通微帶天線，其零度方向RCS減小了 10. 2dB。實(shí)施例四采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為O. 8mm、相對介電常數(shù)為4. 65、損耗角正切為
O.025的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板的正面刻蝕八種不同的金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板反面為完全金屬銅結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元的大小仍為1X1 = 40mmX 40mm,八種金屬銅圓環(huán)的外徑分別為!T1外=3. 5mm，r2 = 3. 4mm，r3 = 3. 6mm，r4 = 3. 7mm，r5 = 3. 35mm，r6 = 3. 25mm，r7 = 3. 15mm，r8 = 3. 05mm,其各個圓環(huán)的內(nèi)徑為A內(nèi)=!^-山其中!Ti為第i個圓環(huán)外徑，T1內(nèi)為第i個圓環(huán)內(nèi)徑，d = 2. 2mm，八種圓環(huán)的排布方式如圖7(a)所示。將吸收器按照3X3單元排布，并將其中間一個單元鏤空。圖7(b)為吸收器的吸收特性，50%以上吸收率工作頻帶為9.35GHz-ll. 98GHz (吸收帶寬為2. 63GHz)，其具有寬頻吸收特性。為此采用電路板刻蝕技術(shù)制備了寬頻帶微帶天線，在40mm X 40mm的聚四氟乙烯介質(zhì)(基板厚度O. 8mmmm、相對介電常數(shù)2. 65、損耗角正切O. 009)的正面中心刻蝕主輻射矩形貼片和附加寄生貼片，矩形貼片尺寸為6. 5mmX 9. 7mm,四塊寄生貼片尺寸為2. 3mmX 7. 8mm,分別位于主福射矩形貼片的四周且與主貼片的距離為4mm。介質(zhì)基板背面為全金屬銅覆蓋，采用背部饋電方式，饋電點(diǎn)位于主輻射貼片中心下方2. 3mm處，將微帶天線嵌入超材料吸收器的鏤空中，使用強(qiáng)力膠將二者粘牢，制作成為基于完全吸收器的寬頻帶微帶天線如圖8所示。圖9為本發(fā)明實(shí)施例天線的性能，圖9(a)為天線的同波損耗特性，天線的IOdB工作頻帶為9. 87GHZ-11.1GHz (天線帶寬為1. 23GHz)，天線的工作頻段包含在吸收器的吸收頻段內(nèi)。圖9(b)為中心頻率處天線的輻射模式，天線具有好的輻射特性。圖9 (c)為天線的RCS，其零度方向RCS為-22. 6dB,相比較于未加完全吸收器的相 同大小的普通微帶天線，其零度方向RCS減小了 14. 7dB。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，SP大凡依本發(fā)明權(quán)利要求及發(fā)明說明書內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利覆蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于完全吸收器的低RCS微帶天線，組成包括環(huán)氧玻璃布介質(zhì)基板、聚四氟乙烯介質(zhì)基板、金屬吸收圓片或圓環(huán)、金屬輻射貼片、金屬接地板、饋電網(wǎng)絡(luò)，其主要特征是將完全吸收器加載到普通微帶天線，用于減少天線的RCS，吸收器的吸收帶寬可以通過金屬吸收圓片或圓環(huán)的種類調(diào)控，根據(jù)微帶天線的帶寬選擇相應(yīng)帶寬的完全吸收器，加載完全吸收器的微帶天線與未加載吸收器的普通微帶天線相比，天線RCS減少了 8dB-15dB,同時天線仍保持好的輻射特性。
2.如權(quán)利要求1所述的基于完全吸收器的低RCS微帶天線，其特征是用于天線的完全吸收器，是由在具有金屬接地板的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板上刻蝕多種不同幾何參數(shù)的圓片或者圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成，增加圓片或者圓環(huán)的種類可擴(kuò)展完全吸收器的吸收帶寬，當(dāng)圓片結(jié)構(gòu)單元由兩種到八種不同半徑組成，當(dāng)取圓片半徑介于2. 8mm至4. 15mm之間時,其50%吸收率的吸收帶寬在O. 45GHz至3.1GHz之間調(diào)節(jié)；當(dāng)圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元由兩種到八種不同幾何參數(shù)組成，當(dāng)取圓環(huán)的外環(huán)半徑介于3. 05mm至4. 05mm時,且每種圓環(huán)的內(nèi)環(huán)半徑與外環(huán)半徑之差均為2. 2mm時，其50%吸收率的吸收帶寬在O. 55GHz至3. 52GHz之間調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于完全吸收器的低RCS微帶天線，根據(jù)天線的帶寬選擇相應(yīng)帶寬的完全吸收器，完全吸收器的工作頻率、帶寬包含天線的中心工作頻率與帶寬。
4.如權(quán)利要求1所述的基于完全吸收器的低RCS微帶天線，完全吸收器與天線是分別采用兩種不同材質(zhì)的介質(zhì)基板，完全吸收器采用環(huán)氧玻璃布介質(zhì)基板，天線采用聚四氟乙烯介質(zhì)基板。
5.如權(quán)利要求1所述的基于完全吸收器的低RCS微帶天線，普通微帶天線嵌套于完全吸收單元陣列的中間鏤空處，并用強(qiáng)力膠固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微帶天線，特別涉及一種基于完全吸收器的低RCS微帶天線。完全吸收器是在具有金屬接地板的環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板上刻蝕多種不同幾何參數(shù)的圓片或者圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元組成，并且通過調(diào)控圓片或圓環(huán)的種類，可調(diào)節(jié)吸收帶寬，即增加圓片或圓環(huán)的種類，可擴(kuò)展完全吸收器的帶寬。先將完全吸收器單元周期性排列制備成樣品，然后將普通微帶天線嵌入完全吸收器中，加載完全吸收器之后，微帶天線的RCS減少8dB-15dB，同時天線仍保持好的輻射模式。由于本發(fā)明的吸收器僅用單層電路板結(jié)構(gòu)便可以實(shí)現(xiàn)減小微帶天線的RCS，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、制備方便、RCS縮減較高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01Q17/00GK103066395SQ20111032159
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者劉亞紅, 顧帥, 羅春榮, 趙曉鵬 申請人:西北工業(yè)大學(xué)