本實用新型屬于電磁防護領(lǐng)域，具體涉及一種單極子天線的錐形能量選擇天線罩及天線系統(tǒng)。主要用于單極子天線在強電磁脈沖輻照時系統(tǒng)前端的屏蔽防護，以及正常來波情況下單站雷達散射截面積(RCS)縮減。
背景技術(shù)：
：電磁脈沖武器與高功率微波武器攻擊速度快，范圍廣，兼具軟硬殺傷能力，目前，高功率脈沖功率驅(qū)動源技術(shù)、高功率微波產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸與控制技術(shù)以及高功率微波效應(yīng)機理等基礎(chǔ)研究與關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，強電磁武器走向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用。強電磁輻射對電子設(shè)備危害極大，電磁波通過天線將能量耦合進入到系統(tǒng)前端，通過擊穿效應(yīng)與熱效應(yīng)破壞電子設(shè)備。另外，天線的RCS縮減一直是目標隱身的難點問題，需要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計來達到減小天線RCS的目的。能量選擇表面通過半導(dǎo)體陣列結(jié)合金屬周期單元構(gòu)建的壓控導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其表面阻抗隨入射電磁場強度不同而發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而具備能量選擇特性，能有效兼顧設(shè)備正常使用以及強場防護。文獻[1]分析了針對強電磁脈沖武器的能量選擇防護罩，當電磁波的能量低于安全閾值的時候能夠無損或低損地進入射頻系統(tǒng)前端，超過安全閾值的時候能量則會被反射。單極天線形式簡單，廣泛應(yīng)用于武器裝備上，包括一些飛行器上，而其RCS一直是飛行設(shè)備隱身的難點問題，而且考慮到許多飛行器(如：機載雷達，導(dǎo)彈)上面的天線罩設(shè)計要滿足空氣動力學的要求，因此，不能采用平面或者是球形的結(jié)構(gòu)。文獻[2]設(shè)計了鼻錐結(jié)構(gòu)的天線罩，并對單極子天線加載錐形天線罩前后的單站RCS進行了對比?，F(xiàn)有的能量選擇表面相關(guān)研究集中于貼片加載有源器件平面周期結(jié)構(gòu)，不符合空氣動力學，不適用于飛行器上使用，頻帶一般限制在2GHz以下，其二極管加載方式不能應(yīng)用于非平面結(jié)構(gòu)的天線罩形式。而關(guān)于錐形天線罩的研究并未涉及電磁防護功能，也未對天線罩上進行有源加載進行研究，功能單一。相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)參考文獻如下：[1]YangC,LiuPG,HuangXJ.AnovelmethodofenergyselectivesurfaceforadaptiveHPM/EMPprotection[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters.2013(12):112-115.[2]LinBQ,ZhengQR,etal.DesignandSimulationofaMiniatureThick-ScreenFrequencySelectiveSurfaceRadome[J].IEEEAntenna&WirelessPropagationLetters,2009,8(4):1065-1068.技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提出一種錐形能量選擇防護罩針對單極子天線這種應(yīng)用廣泛的天線形式，既能實現(xiàn)能量敏感自適應(yīng)開關(guān)特性達到強場防護的目的，又能有效地減小天線的單站RCS，實現(xiàn)功能的復(fù)合。具體技術(shù)方案如下：一種單極子天線的錐形能量選擇天線罩，包括介質(zhì)基板、金屬層和半導(dǎo)體器件，所述介質(zhì)基板的形狀為空心的圓錐體狀，所述金屬層覆蓋在介質(zhì)基板上，所述金屬層上鏤空若干個圓環(huán)縫隙，在每個圓環(huán)縫隙上等間隔設(shè)置4個半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件連接圓環(huán)縫隙內(nèi)外的金屬層。進一步地，所述圓環(huán)縫隙在圓錐體表面上呈準周期排列，圓環(huán)縫隙在圓錐體表面上緊密排列且相互之間不重疊交叉。進一步地，所述半導(dǎo)體器件為二極管。進一步地，所述介質(zhì)基板展開后為300°扇面，由5個完全相同的60°扇面組合構(gòu)成；在每個扇面上，圓環(huán)縫隙的排列布局為：從扇面頂部開始分層排列，按照每層逐漸增加1個圓環(huán)縫隙的方式，直至底層圓環(huán)縫隙排列到扇面底部。進一步地，所述每個圓環(huán)縫隙上的4個半導(dǎo)體器件，其中兩個半導(dǎo)體器件對稱設(shè)置過圓環(huán)縫隙圓心且平行于60°扇面外沿的弧線上，另外兩個半導(dǎo)體器件對稱設(shè)置以扇面頂點為圓心的射線上。本實用新型還提供了一種單極子天線系統(tǒng)，包括上述單極子天線的錐形能量選擇天線罩，及設(shè)置在錐形能量選擇防護罩內(nèi)部的單極子天線；所述單極子天線置于錐形天線罩內(nèi)部，天線罩錐體底面與單極子天線接地面貼合，所述貼合的方式為粘接或焊接。采用本實用新型獲得的有益效果：本實用新型同時解決了單極子天線系統(tǒng)的強電磁場防護以及單站RCS縮減問題，相對于傳統(tǒng)的天線罩，功能更為全面。天線罩不影響正常信號通過，而對工作頻帶內(nèi)的強場輻射產(chǎn)生大于15dB的衰減。同時，對天線工作頻帶外的雷達散射截面積縮減達到10dB。此外，錐形結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得單極子天線能有效應(yīng)用于飛行器上。附圖說明圖1為本實用新型天線罩結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型天線罩的圓錐體展開后結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圓環(huán)縫隙與金屬層的局部結(jié)構(gòu)圖，(a)為正視圖、(b)為側(cè)視圖；圖4為本實用新型天線罩展開后60°扇面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實施例中模擬軟件生成的仿真圖及局部放大圖，(a)為正視圖、(b)為俯視圖；圖6為單極子天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實用新型天線系統(tǒng)的模擬仿真圖及局部放大圖；圖8為單極子天線反射系數(shù)S11圖；圖9為單極子天線方向圖，(a)為方位角Φ＝0°，(b)為俯仰角θ＝60°圖10為圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)S21角度掃描圖，(a)為傳輸模式，(b)為防護模式；圖11為傳輸模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對比圖；圖12為傳輸模式下單極子天線加罩前后方向圖對比圖，(a)為方位角Φ＝0°、(b)為俯仰角θ＝60°；圖13防護模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對比；圖14防護模式下單極子天線加罩前后方向圖對比；(a)為方位角Φ＝0°、(b)為俯仰角θ＝60°；圖15為單站雷達散射截面積RCS仿真示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示為本實用新型天線罩結(jié)構(gòu)示意圖；一種單極子天線的錐形能量選擇天線罩，包括介質(zhì)基板1、金屬層2和半導(dǎo)體器件3，所述介質(zhì)基板的形狀為空心的圓錐體狀，所述金屬層覆蓋在介質(zhì)基板上，所述金屬層上鏤空若干個圓環(huán)縫隙4，在每個圓環(huán)縫隙上等間隔設(shè)置4個半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件連接圓環(huán)縫隙內(nèi)外的金屬層。所述圓環(huán)縫隙在圓錐體表面上呈準周期排列。如圖2為本實用新型單極子天線的錐形能量選擇天線罩的圓錐體展開后結(jié)構(gòu)示意圖；圓錐體上排布嚴格的周期結(jié)構(gòu)陣列是非常困難的，因此，實施例中設(shè)計了共形準周期能量選擇表面。如圖3所示，實施例中的圓錐體上圓環(huán)縫隙的尺寸如表1所示，半導(dǎo)體器件為二極管，介質(zhì)基板采用輕質(zhì)高強度泡沫材料PMI(聚甲基丙烯酰亞胺)。表1縫隙圓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)物理含義參數(shù)取值(單位：mm)單元周期d329外圓直徑d128內(nèi)圓直徑d226.4金屬厚度t0.035介質(zhì)基板厚度n1每個單元結(jié)構(gòu)由一層介質(zhì)基板、一個圓環(huán)縫隙及四個PIN二極管(BAP6302)構(gòu)成，上下左右均對稱，對應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)列在表1，其中，縫的參數(shù)由二極管的封裝確定。由于要進行柔性設(shè)計，故采用柔性印刷電路(FPC)作為介質(zhì)基板，其造成的損耗可以忽略。為滿足強度需求，需加覆一層相對介電常數(shù)接近于1的BMI泡沫層。本實用新型實施例中，所述介質(zhì)基板展開后為300°扇面，由5個完全相同的60°扇面組合構(gòu)成；如圖4所示，在每個扇面上，圓環(huán)縫隙的排列方法為：從扇面頂部開始分層排列，按照每層逐漸增加1個圓環(huán)縫隙的方式，直至底層圓環(huán)縫隙排列到扇面底部。從圖4中可以看到，位于同一層的所有圓環(huán)縫隙圓心，排列在以扇面頂為圓心的同一條弧線上，且圓環(huán)縫隙圓心到扇面頂?shù)木嚯xb與過圓環(huán)縫隙圓心的弧長a滿足條件，b:a＝3:π，圖4中給出了第2種情況同樣滿足b2:a2＝3:π。所述每個圓環(huán)縫隙上的4個半導(dǎo)體器件，其中兩個半導(dǎo)體器件對稱設(shè)置過圓環(huán)縫隙圓心且平行于60°扇面外沿的弧線上，另外兩個半導(dǎo)體器件對稱設(shè)置以扇面頂點為圓心的射線上。實施例中，也可以將其中兩個半導(dǎo)體器件對稱設(shè)置過圓環(huán)縫隙圓心且平行于60°扇面外沿的弧線上，另外兩個對稱設(shè)置在扇面的角平分線上或過圓環(huán)縫隙圓心且平行于角平分線的直線上，使得來波的能在其兩端產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，易于導(dǎo)通。圖4中扇面的個數(shù)決定了錐體的傾斜角度，當傾斜角度大于45°時，強場在半導(dǎo)體器件上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓過低，導(dǎo)致二極管難以導(dǎo)通，當傾斜角度小于30°時，工作頻帶外的探測信號相當一部分能量將被反射回入射方向，導(dǎo)致單站RCS增加。因此，選取五份圖4中扇面構(gòu)建錐形防護罩，傾斜角約為35°，能很好兼顧強場防護與單站RCS縮減。將二維扇面結(jié)構(gòu)卷成三維立體結(jié)構(gòu)后，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。表2錐形準周期結(jié)構(gòu)能量選擇表面(ESS)尺寸參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)rlh取值(單位：mm)130.50217.5072.14圖5為實施例中模擬軟件生成天線罩的仿真圖及局部放大圖，其中(a)為正視圖、(b)為俯視圖。本實用新型還提供了一種單極子天線系統(tǒng)，包括上述單極子天線的錐形能量選擇天線罩，及設(shè)置在錐形能量選擇防護罩內(nèi)部的單極子天線；所述單極子天線置于錐形天線罩內(nèi)部，天線罩錐體底面與單極子天線接地面貼合，通過粘接或焊接連接在一起。實施例中確定單極子天線的工作頻帶，并根據(jù)其頻帶設(shè)計單極子天線，按照典型的單極子天線設(shè)計方法，其極子長度在四分之一波長附近，由于接地面不是嚴格的無限大理想導(dǎo)體平面，最大輻射方向會向上半空間偏移。以工作頻點設(shè)計在2.26GHz的單極子天線為例，通過CST軟件仿真，單極子長度為31mm,接地面為直徑217.50mm的金屬圓盤，天線采用50Ω同軸線進行饋電。如圖6所示，為單極子天線結(jié)構(gòu)圖，由極子5、同軸接頭6和接地面7組成。單極子天線不屬于平面結(jié)構(gòu)天線，且向上半空間輻射電磁波，傳統(tǒng)的平面天線罩占據(jù)空間大且影響輻射性能，所以一般采用錐形或者鼻錐形的天線罩。在錐形結(jié)構(gòu)上無法排布嚴格的周期結(jié)構(gòu)，只能用近似的準周期結(jié)構(gòu)進行替代。由于不是嚴格的周期結(jié)構(gòu)，單元與單元之間的間隔并不完全一致，而半導(dǎo)體器件的尺寸是固定的，所以設(shè)計能量選擇表面時，半導(dǎo)體器件只能加載在單元內(nèi)部。另外，圓形單元各向均勻，應(yīng)用在錐形結(jié)構(gòu)上具有獨特優(yōu)勢。綜上考慮，采用本實用新型提供的天線罩。如圖7所示為單極子天線與本實用新型天線罩組成天線系統(tǒng)的模擬仿真圖及局部放大圖。下面通過計算機仿真軟件CST對本實用新型和現(xiàn)有技術(shù)進行仿真計算。對圖6中單極子天線進行仿真，獲得天線的反射系數(shù)S11以及方向圖，結(jié)果如圖8及圖9所示。通過圖8仿真結(jié)果可知，單極子天線的-10dB帶寬為2.117GHz至2.415GHz，相對帶寬達到13.4％，在2.26GHz的輸入反射系數(shù)為-13.5dB。作出方位角Φ＝0°天線方向圖，從圖9(a)中可以看出來，最大功率輻射方向為俯仰角θ＝60°的時候。因此，可以用加天線罩前后θ＝60°天線方向圖變化情況反映天線罩的透波及防護性能，并判斷其對天線性能的影響。在不加天線罩的情況下，仿真得到θ＝60°天線方向圖如圖9(b)所示，單極子天線具有全向性。對圖3中平面結(jié)構(gòu)延伸得到的能量選擇表面進行仿真，結(jié)果如圖10所示，圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)S21角度掃描圖，(a)為傳輸模式，(b)為防護模式。在二極管導(dǎo)通之前，即傳輸模式下，能量選擇表面處于帶通狀態(tài)，垂直入射時，諧振點在2.26GHz，1dB帶寬為1.97GHz到2.45GHz，相對帶寬22％，隨著入射角度增加，諧振點基本不變，通帶帶寬變小，入射角大于60°相對帶寬為10.9％。強場輻照下，在二極管導(dǎo)通以后，即防護模式下，在之前的通帶范圍內(nèi)，衰減大于15dB，而且隨著入射角度增大而增大。綜合分析，這種圓環(huán)縫隙單元的角度穩(wěn)定性在工作頻點基本滿足作為帶通能量選擇表面的要求，工作頻帶與單極子天線一致。正常來波下，二極管處于截止狀態(tài)，天線罩對電磁波的衰減非常小，此時本實用新型天線系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。仿真所用的二極管為BAP5102。圖11傳輸模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對比；圖12傳輸模式下單極子天線加罩前后方向圖對比。天線原有的-10dB頻帶縮減為2.1GHz到2.3GHz，在2.26GHz處的S11達到-24dB。由于天線罩與天線的耦合，在2.36GHz到2.68GHz的S11也降至-10dB以下。天線的工作帶寬與設(shè)計的周期圓環(huán)縫隙-1dB通帶(1.97GHz到2.45GHz)較為一致。通過觀察天線在2.26GHz時的E面方向圖，加天線罩前后變化不大，最大輻射方向依然在θ＝60°處。比較最大輻射方向上的方向圖，幾乎完全重合，但是由于錐形天線罩是準周期結(jié)構(gòu)，并非各向均勻，會導(dǎo)致細微的方向性差異。綜合來看而言，加載天線罩之后，單極子天線的工作頻點不變，帶寬略有變化，總體性能變化不大，能夠正常工作。強場情況下，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，天線罩處于防護模式下。在防護模式下的本實用新型天線系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖13與圖14所示，圖13防護模式下單極子天線加罩前后反射系數(shù)S11對比；圖14防護模式下單極子天線加罩前后方向圖對比；在原來的工作頻帶內(nèi)，天線發(fā)射的信號幾乎被全部反射。從方向圖來看，最大輻射方向由θ＝60°轉(zhuǎn)為θ＝160°，原來的天線信號是可以透過天線罩向上半空間輻射，但是當二極管全部導(dǎo)通之后，天線輻射的能量主要集中下半空間。這是因為天線罩處于防護模式下時，將電磁波反射，然后通過饋電端口輻射到后向。對比θ＝60°時候的方向圖，可以看出輻射功率大大降低。由天線的互易性，可以判斷，當二極管全部導(dǎo)通時，天線工作頻段內(nèi)來波的大部分能量將被反射，系統(tǒng)前端能得到有效保護。單極子天線加載錐形天線罩前后的單站RCS如圖15所示?？梢钥吹剑S著頻率增加，天線的單站RCS逐漸增加，而天線與天線罩一體化天線系統(tǒng)的單站RCS卻在逐漸減小。在2.26GHz附近，天線罩處于透波頻段，RCS縮減量只有3到5dB散射效果與不加天線罩時接近。而在工作頻帶外，大部分帶外信號的能量由于天線罩的形狀被反射到其他地方，一體化天線系統(tǒng)的RCS縮減達到10dB以上，隱身效果大大提高。本實用新型在非平面結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)有源準周期結(jié)構(gòu)的防護罩。二極管沿平行于60°扇面邊緣的弧邊方向及其角平分線方向排布，使得來波的能在其兩端產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，易于導(dǎo)通，選取300°扇面構(gòu)建錐形，使錐體傾角達到約35°，既能有效反射工作頻帶外的探測信號，實現(xiàn)單站RCS縮減，又能保證強場到來時能在二極管兩端產(chǎn)生足夠高的感應(yīng)電壓使其導(dǎo)通。以上所述僅為本實用新型的一種實施方式，本實用新型并不局限于上述實施方式，在實施過程中可能存在局部微小的結(jié)構(gòu)改動，如果對本實用新型的各種改動或變型不脫離本實用新型的精神和范圍，且屬于本實用新型的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型。當前第1頁1 2 3