一种混合AMC棋盘形结构加载的SIW背腔缝隙天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种混合AMC棋盘形结构加载的SIW背腔缝隙天线。

背景技术

平板天线在民用与军用应用中均因其成本低、剖面低、性能可靠以及易于加工与集成等特性发挥着重要作用。随着隐身与反隐身技术的发展，在一些特殊应用中，如智能蒙皮通信系统，天线的RCS减缩具有迫切的实际应用需求。最常见的降低天线RCS的方法是集总/分布元件加载技术与使用雷达吸收材料，从而将微波射频能量转换为热量，然后这两种方法的缺点是它们均会恶化天线的辐射性能；使用仿生学技术以及电磁带隙(EBG)结构、超材料/表面结构等方法能够有效地抑制天线的带内单站RCS，但其缺点是对于带外RCS则无法实现减缩；频率选择表面(FSS)结构用于天线设计能够实现较宽频带的带外RCS抑制，但其技术特征天然地限制了其用于天线带内的RCS抑制。因此，如何在增强天线的辐射特性的前提下实现超宽带的RCS抑制，是低RCS天线设计的难题。

文献“Thin AMC Structure for Radar Cross-Section Reduction(MauricePaquay，Juan-Carlos Iriarte，Ederra，Ramon Gonzalo and Peter de Maagt，IEEETransactions on Antennas and Propagation，2007，55(126)：3630-3638.)”提出了一种新型由AMC周期结构与理想电导体PEC组成的棋盘形结构用于实现贴片天线的RCS抑制，实测的结果表明相对于参考金属板该结构实现了大于20dB的RCS减缩，但该结构仅能实现窄带范围内的RCS抑制，需要进一步拓展其RCS减缩带宽。

文献“Wideband RCS Reduction of A Microstrip Antenna Using ArtificialMagnetic Conductor Structures(Yuejun Zheng，Jun Gao，Xiangyu Cao，Zidong Yuanand Huanhuan Yang，IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2015，14：1582-1585.)”采用一种棋盘形混合AMC表面围绕在微带天线周围，仿真的背向RCS减缩带宽为8-20GHz，最大RCS减缩量为31.9dB。这是迄今为止微带天线的RCS抑制带宽相对较宽的公开报道，但该混合人工表面会对天线的反射与辐射性能产生一定的影响，如引起些许谐振频率偏移以及增益小幅下降等。

文献“A Low-RCS and High-Gain Slot Antenna Using Broadband Metasurface(Yi Zhao，Xiangyu Cao，Jun Gao，Xu Yao and Xiao Liu，IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters，2016，15：290-293.)”基于同样的反射抵消的原理，设计了一组具有反向反射系数的超表面，将该超表面围绕在缝隙天线周围，实现了4.95-7.18GHz频带内的RCS抑制，且能够提升缝隙天线的辐射增益。但由于有后置馈电波导的存在，天线的整体剖面较高，且缝隙天线的RCS抑制带宽也仍具有可进一步提升的空间。

另一方面，缝隙天线的剖面控制是一项极具现实应用意义且难以实现的技术挑战。文献“Planar Slot Antenna Backed by Substrate Integrated Waveguide Cavity(Guo Qing Luo，Zhi Fang Hu，Lin Xi Dong and Ling Ling Sun，IEEE Antennas andWireless Propagation Letters，2008，7：236-239.)设计了一款基于SIW技术与接地共面波导结构的低剖面背腔平面缝隙天线，加工出的天线厚度仅为1/50波长，且测试的前后比与最大交叉极化分量为16.1dB和-19dB。该设计解决了平板缝隙天线因馈电而产生的高剖面问题，且保证了天线的优良性能。

对具有超宽带RCS抑制性能的平板缝隙天线而言，需要同时考量缝隙天线的反射与辐射性能，天线RCS的抑制带宽，以及加工天线的合理剖面，要同时兼顾三者，是一个非常有挑战的技术难题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种混合AMC棋盘形结构加载的SIW背腔缝隙天线。

本发明解决所属问题采用的技术方案是：

一种混合AMC棋盘形结构加载的SIW背腔缝隙天线，包括上层介质基板1、下层介质基板2、两种具有相同图案不同地板结构的人工磁导体AMC周期表面3和4、缝隙激励贴片5、激励探针6、中间层金属贴片7、底层金属贴片8、基片集成波导SIW方形谐振腔的金属过孔9、探针接头10、位于中间层金属贴片7上的圆形过孔11、辐射缝隙12和位于底层金属贴片8的圆形过孔13；

所述上层介质基板1位于AMC周期表面3、4和中间层金属贴片7之间；所述下层介质基板2位于中间层金属贴片7和底层金属贴片8之间；所述缝隙激励贴片5位于上层介质基板1的上表面；所述激励探针6穿过位于中间层金属贴片7的圆形过孔11和位于底层金属贴片8的圆形过孔13分别连接探针接头10和激励贴片5；所述中间层金属贴片7为十字形状；SIW方形谐振腔由位于辐射缝隙12的下方的金属过孔9和部分中间层金属贴片7以及部分底层金属贴片8组成；所述探针接头10位于底层金属贴片8的下表面，为SMA同轴接头；所述辐射缝隙12由中间层金属贴片7部分蚀刻而成；

所述天线通过探针接头10馈电；激励信号通过激励探针6过渡到缝隙激励贴片5上，激励起SIW方形谐振腔的主模TE₁₁₀模式，并且由于有SIW腔体的反射作用，辐射缝隙12向上辐射电磁能量；

所述天线的散射特性控制由包括四个位于四角的AMC周期表面3和四个位于四边中点处的AMC周期表面3、4实现；AMC周期表面3、4中的AMC单元周期性地以棋盘形分布在SIW方形谐振腔周围；最终结构上，AMC周期表面3、4和缝隙辐射天线的馈电结构组成了一个棋盘形状，缝隙天线的馈电结构位于棋盘形的中心。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中SIW背腔的引入，打破了现有报道技术中常用的为了屏蔽后向辐射而添加的金属反射器必须与辐射天线之间具有四分之一波长距离的禁锢，实现了缝隙天线的低剖面设计；

(2)本发明中AMC周期表面的AMC单元具有不同的反射相位，它们的反射在超宽频带内(8.5～26.5GHz)保持在180°±30°的相位差，则两种周期结构上的背向散射在该频带内能够相互抵消，从而实现了超宽带内的RCS减缩；

(3)本发明中AMC周期表面3、4中的AMC单元周期性地以棋盘形分布在缝隙天线的周围，实现了天线在9～27GHz范围内的背向RCS减缩；

(4)本发明中辅助以AMC周期表面的加载与分布形式，增强了缝隙天线的辐射增益；

(5)本发明的实施能有效增强机载、舰载与车载应用中天线的隐身性能与通讯功能。

附图说明

图1是本发明提供的混合AMC棋盘形结构加载的SIW背腔缝隙天线的侧视图；

图2是本发明提供的缝隙天线的俯视图；

图3是本发明提供的缝隙天线的仰视图；

图4是图1中的AA截面的示意图；

图5是本发明提供的AMC周期表面单元的结构示意图；

图6是本发明提供的AMC周期表面的反射相位与相位差仿真曲线；

图7是本发明提供的有无AMC周期表面加载的缝隙天线的反射系数仿真曲线；

图8是本发明提供的有无AMC周期表面加载的缝隙天线的辐射方向图仿真曲线；

图9是本发明提供的有无AMC周期表面加载的缝隙天线的背向单站RCS随频率变化的仿真曲线；

图10是本发明提供的具有AMC周期表面加载的缝隙天线的RCS减缩曲线。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。

本具体实施方式提供一种混合AMC棋盘形结构加载的SIW背腔缝隙天线，其侧视图、俯视图和仰视图分别如图1、图2和图3所示，图4为图1中AA界面的示意图，包括上层介质基板1、下层介质基板2、两种具有相同图案不同地板结构的AMC周期表面3和4、缝隙激励贴片5、激励探针6、中间层金属贴片7、底层金属贴片8、SIW方形谐振腔的金属过孔9、探针接头10、位于中间层金属贴片7上的圆形过孔11、辐射缝隙12和位于底层金属贴片8的圆形过孔13；

所述上层介质基板1位于AMC周期表面3、4和中间层金属贴片7之间；所述下层介质基板2位于中间层金属贴片7和底层金属贴片8之间；所述缝隙激励贴片5位于上层介质基板1的上表面；所述激励探针6穿过位于中间层金属贴片7的圆形过孔11和位于底层金属贴片8的圆形过孔13分别连接探针接头10和激励贴片5；所述中间层金属贴片7为十字形状；SIW方形谐振腔由位于辐射缝隙12的下方的金属过孔9和部分中间层金属贴片7以及部分底层金属贴片8组成；所述探针接头10位于底层金属贴片8的下表面，为SMA同轴接头；所述辐射缝隙12由中间层金属贴片7部分蚀刻而成；

本实施例缝隙天线的俯视结构如图2所示，天线上表面呈现棋盘形分布，其中，主要包括了四个位于四角的AMC周期表面3、四个位于四边中点处的AMC周期表面4以及位于该棋盘形中心位置上的缝隙天线的馈电结构。

本实施例缝隙天线的仰视结构如图3所示，充当地板作用的底层金属贴片8上刻蚀有一个圆形过孔13；所述激励探针6穿过该圆形过孔13并与缝隙激励贴片5相连接，从而实现对缝隙天线的激励。

本实施例缝隙天线的中间层结构如图4所示，该层主要包括了十字形中金层金属贴片7、位于中间层金属贴片7上的圆形过孔11以及中间层金属贴片7上刻蚀的辐射缝隙12；所述激励探针6穿过该圆形过孔11并与缝隙激励贴片5相连接，从而实现对辐射缝隙12的激励；所述馈电结构能够激励起辐射缝隙12的双向辐射，并且能够激励起SIW方形谐振腔的主模TE₁₁₀模式；由于有SIW腔体的反射作用，辐射缝隙12只能向上辐射电磁能量；辐射缝隙12的长度决定了天线的谐振频率为10.8GHz。

本实施例缝隙天线的超宽带RCS抑制可以用反相散射抵消的原理来解释。图5为所述AMC周期表面3和4的单元结构示意图，两种AMC单元具有相同的金属图案和不同的地板结构，也就是说两种单元具有不同的地板反射距离，其中AMC周期表面3的单元反射距离为4mm，AMC周期表面4的单元反射距离为2mm。因此，AMC周期表面3和4具有相同的反射幅度与不同的反射相位。

图6是所述AMC周期表面3和4的反射相位与相位差仿真曲线。从图中看出所述AMC周期表面3和4的反射相位在8.5～26.5GHz频带内均保持在180°±30°范围内，这表明由相同大小的所述AMC周期表面3和4组成的结构在8.5～26.5GHz频带内均能够实现-10dB的RCS抑制。同时可以预测，如果将相同大小的所述AMC周期表面3和4加载在缝隙天线的周围以形成本实施例缝隙天线，也能够实现宽频带内RCS的抑制。

图7是本实施例缝隙天线的和与之具有相同尺寸而无AMC周期表面加载的参考缝隙天线的反射系数仿真曲线。对比表明，当有所述AMC周期表面3和4加载时，缝隙天线的谐振频率不会发生偏移。也就是说，所述AMC周期表面3和4的加载对于缝隙天线的反射特性几乎无影响。

图8是本实施例缝隙天线的和与之具有相同尺寸而无AMC周期表面加载的参考缝隙天线的仿真增益方向图。从图中看出，当有所述AMC周期表面3和4加载时，缝隙天线在侧射方向上的辐射增益具有2.9dB的增强。也就是说，所述AMC周期表面3和4的加载对于缝隙天线的辐射特性具有加强作用。

图9是本实施例缝隙天线的和与之具有相同尺寸而无AMC周期表面加载的参考缝隙天线的背向单站RCS随频率变化的仿真曲线。对比表明，述AMC周期表面3和4的加载确实能够在超宽带内抑制缝隙天线的背向单站RCS。图10是两种天线的背向单站RCS的差值。从图中看出，所述AMC周期表面3和4的加载能够实现了天线在9～27GHz范围内的背向RCS抑制，最小抑制量为-6dB。

综上所述，通过所述AMC周期表面3和4的加载，本实施例缝隙天线不仅能够实现9～27GHz范围内的RCS抑制，而且天线的反射特性没有收到影响，而辐射特性在谐振频率上得到了增强。本实施例缝隙天线的实施能有效增强机载、舰载与车载应用中天线的隐身性能与通讯功能。