環(huán)形金屬在微帶天線雷達(dá)散射截面減縮的應(yīng)用

劉英 于旭 龔書喜

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,信息感知技術(shù)系統(tǒng)創(chuàng)新中心,西安710071)

環(huán)形金屬在微帶天線雷達(dá)散射截面減縮的應(yīng)用

劉英 于旭 龔書喜

(西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,信息感知技術(shù)系統(tǒng)創(chuàng)新中心,西安710071)

提出了一種利用環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section, RCS)的微帶貼片天線．該結(jié)構(gòu)由幾個(gè)金屬同心環(huán)排布而成．對(duì)典型的微帶天線,通過在輻射貼片周圍加載該環(huán)形結(jié)構(gòu),天線可以實(shí)現(xiàn)明顯的寬帶RCS減縮效果．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與參考天線相比,對(duì)于X極化垂直入射波以及Y極化垂直入射波在6～25 GHz范圍內(nèi)都有減縮效果,天線在12.8 GHz時(shí)可以達(dá)到30 dB的減縮量,同時(shí)天線的輻射特性得到保持．

雷達(dá)散射截面;微帶天線;金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu);寬帶

引 言

雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section, RCS)是衡量目標(biāo)散射特性的一個(gè)非常重要的參數(shù)．隨著軍事探測(cè)技術(shù)以及隱身技術(shù)的快速發(fā)展,天線RCS的減縮也越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的強(qiáng)烈關(guān)注．目前,通過在天線上加載超材料來實(shí)現(xiàn)天線RCS減縮的方法被廣泛使用．例如人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor, AMC)結(jié)構(gòu)[1-3]、極化旋轉(zhuǎn)超表面(Polarization Rotation Surface, PRS)結(jié)構(gòu)[4-5]等．AMC結(jié)構(gòu)對(duì)入射波具有同相反射特性,可以通過與理想電導(dǎo)體(Perfect Electric Conductor,PEC)復(fù)合排布使反射電磁波存在一定的相位差,通過相位相消原理來實(shí)現(xiàn)RCS減縮．而PRS可以控制反射電磁波的極化狀態(tài),例如當(dāng)入射波是X極化時(shí),反射波就是Y極化, 所以當(dāng)電磁波照射時(shí), 通過棋盤型結(jié)構(gòu)排布,也可以實(shí)現(xiàn)一定相位差．上述超材料結(jié)構(gòu)按照特定的排布加載在天線上能夠?qū)崿F(xiàn)RCS的減縮效果,但往往需要大規(guī)模周期性排列,加載很多單元結(jié)構(gòu),增加了天線制作的復(fù)雜性．

微帶貼片天線[6-7]因其質(zhì)量輕,輪廓低,易于加工且成本低,廣泛被應(yīng)用于低可見平臺(tái)系統(tǒng)中．而天線做為一種特殊的散射體,是系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)散射的一個(gè)重要因素,因此微帶貼片天線的RCS減縮對(duì)隱身技術(shù)具有非常重要的意義．

本文將金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)加載在微帶貼片天線輻射體周圍,該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)與加工,只需在輻射天線周圍加載幾圈金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu),就能充分利用該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)天線在很寬頻帶內(nèi)的RCS減縮特性,且天線保持了良好的輻射性能．利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬,在仿真優(yōu)化天線性能的基礎(chǔ)上制作加工了天線樣品,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好．

1 金屬環(huán)形結(jié)構(gòu)理論分析

1.1 環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)減縮RCS分析

雷達(dá)散射截面的基本公式為

(1)

式中:Es是遠(yuǎn)場(chǎng)散射場(chǎng)；Ei入射平面波電場(chǎng)．假設(shè)入射波極化方向是x方向,傳播方向是z方向,根據(jù)文獻(xiàn)[9],對(duì)于單個(gè)環(huán)狀金屬結(jié)構(gòu),其對(duì)垂直入射波的散射大小可以表示為

(2)

式中:m表示金屬環(huán)的厚度; n是金屬環(huán)的半徑大小; λ是波長(zhǎng)．由式(1)可以知道散射場(chǎng)可以表示為[9]

(3)

當(dāng)加載兩個(gè)環(huán)時(shí),金屬環(huán)的散射場(chǎng)可以表示為

(4)

將式(4)、(2)代入式(1)得,加載兩個(gè)環(huán)后目標(biāo)總的RCS為

(5)

(6)

當(dāng)2k(n1-n2)=180°時(shí)虛部為零,實(shí)部最小,式(6)達(dá)到最小值．依照相同的原理,當(dāng)增加金屬環(huán)的數(shù)目時(shí),不同環(huán)之間對(duì)反射波都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的相位差,所以通過優(yōu)化環(huán)的半徑來控制環(huán)與環(huán)之間反射波的相位差,利用相位相消原理,從而達(dá)到RCS減縮效果．

如圖1所示,分別對(duì)一個(gè)環(huán),兩個(gè)環(huán)直至多個(gè)環(huán)排布的情況進(jìn)行RCS仿真,來驗(yàn)證其減縮的效果．設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)由方形金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)、介質(zhì)以及地板構(gòu)成,其初始尺寸為:介質(zhì)基板寬度a=70 mm,第一個(gè)方形環(huán)內(nèi)半徑為n=14 mm,環(huán)的寬度w=2.2 mm,環(huán)與環(huán)之間的間距為g=1 mm,基板厚度h=3 mm．

圖1 方形環(huán)狀結(jié)構(gòu)圖

圖2 不同環(huán)數(shù)的RCS減縮特性

仿真結(jié)果如圖2所示,給定環(huán)的半徑大小,可以看出當(dāng)環(huán)形結(jié)構(gòu)環(huán)數(shù)從1增加到5時(shí),其RCS的總體減縮效果越來越好,但是當(dāng)繼續(xù)增加到6個(gè)環(huán)時(shí),RCS的減縮效果又開始變差．究其原因是由于除了不同環(huán)之間由于半徑的不同而使反射波產(chǎn)生相位差外,金屬環(huán)與金屬地板之間對(duì)入射波的反射也會(huì)形成相位差．由于環(huán)數(shù)的增加,上層環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)覆蓋介質(zhì)基板的面積增大,下層金屬地板反射的波束變少,相位相消的總體效果變差．所以要合理地調(diào)節(jié)環(huán)的數(shù)目和半徑才能達(dá)到最好的減縮效果．

1.2 不同環(huán)形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1節(jié)所設(shè)計(jì)的正方形環(huán)狀結(jié)構(gòu),當(dāng)環(huán)的數(shù)目為五個(gè)時(shí)RCS減縮效果達(dá)到最佳．為了比較不同邊數(shù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)對(duì)RCS的減縮效果,又分別設(shè)計(jì)了正六邊形,正十二邊形以及圓形金屬結(jié)構(gòu),如圖3所示,四種結(jié)構(gòu)均是五個(gè)同心環(huán)排布,結(jié)構(gòu)的最內(nèi)環(huán)半徑n1、環(huán)的寬度w以及相鄰環(huán)之間的距離g都相等．分別對(duì)幾種結(jié)構(gòu)的RCS減縮效果進(jìn)行仿真．

(a) 正四邊形 (b) 正八邊形

(c) 正十二邊形 (d) 圓形圖3 不同環(huán)形結(jié)構(gòu)

圖4 不同環(huán)狀結(jié)構(gòu)RCS的減縮特性

從圖4可以看出,當(dāng)環(huán)的邊數(shù)逐漸增加時(shí),RCS減縮的總體效果越來越好,當(dāng)結(jié)構(gòu)為圓環(huán)時(shí)減縮效果達(dá)到最佳．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加載圓環(huán)形金屬材料的天線輻射特性分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果,選用普通的微帶貼片天線作為參考天線,天線介質(zhì)板介電常數(shù)為ε=2.65,正方形介質(zhì)基板a=70 mm,厚度h=3 mm,天線貼片大小L=16 mm．五個(gè)金屬圓環(huán)加載在天線輻射貼片周圍,加載圓環(huán)的最內(nèi)環(huán)半徑為n2=15 mm,環(huán)的寬度w皆為2.7 mm,環(huán)與環(huán)之間的距離g1都是1 mm,參考天線與設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)如圖5所示．為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,參考天線和設(shè)計(jì)天線都進(jìn)行了加工實(shí)測(cè),實(shí)物如圖6所示．圖7為仿真與測(cè)試的天線反射系數(shù)曲線,從圖可以看出參考天線與設(shè)計(jì)天線性能吻合良好,仿真與實(shí)測(cè)的中心頻率稍有偏移是由于加工誤差造成的．5.3 GHz處的天線輻射方向圖如圖8所示,對(duì)比曲線可知,設(shè)計(jì)天線與參考天線的實(shí)測(cè)方向圖保持一致,增益僅降低了0.1 dB,設(shè)計(jì)天線的輻射特性保持良好．

(a) 參考天線 (b) 設(shè)計(jì)天線圖5 天線結(jié)構(gòu)

圖6 參考天線與設(shè)計(jì)天線實(shí)物

圖7 天線的反射系數(shù)曲線

(a) E面

(b) H面圖8 5.3 GHz 天線方向圖

2.2 加載圓環(huán)形金屬材料的天線散射特性分析

設(shè)計(jì)天線在垂直入射時(shí)的單站RCS仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示．從圖中可以看出,對(duì)于X極化入射波以及Y極化入射波,加載金屬環(huán)形結(jié)構(gòu)后的天線在6～25 GHz范圍內(nèi)都有明顯RCS減縮效果,且在12.8 GHz時(shí)RCS的減縮量達(dá)到30 dB．由于測(cè)試條件有限,測(cè)試最高頻率達(dá)到18 GHz,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好．圖10是X垂直極化波入射時(shí)其交叉極化波的RCS特性,對(duì)于參考天線和設(shè)計(jì)天線,當(dāng)主極化波入射時(shí)其交叉極化RCS一直保持在-35 dB以下,驗(yàn)證了RCS減縮是由于相位相消原理而非極化旋轉(zhuǎn)．圖11是參考天線和設(shè)計(jì)天線在12.8 GHz時(shí)X垂直極化入射波的3-D雙站RCS模式,對(duì)比可以看出,設(shè)計(jì)天線在+z方向的散射能量明顯減少,所以天線在垂直方向的RCS得到明顯減縮．

通過對(duì)微帶天線單元加載環(huán)形結(jié)構(gòu)后的輻射特性和散射特性分析, 可知該結(jié)構(gòu)對(duì)微帶天線單元有

(a) X極化垂直入射波

(b) Y極化垂直入射波圖9 兩種垂直極化入射波的RCS減縮特性

圖10 X垂直極化入射波時(shí)交叉極化RCS特性

(a) 參考天線

(b) 設(shè)計(jì)天線圖11 垂直入射時(shí)在12.8 GHz的3-D雙站散射場(chǎng)

很好的RCS減縮效果．由于環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)對(duì)天線的輻射特性影響很小,在微帶陣列天線中,通過充分地利用陣列天線中輻射單元之間的空間,合理地加載環(huán)形結(jié)構(gòu)在各個(gè)輻射體周圍,并調(diào)整圍繞輻射體的環(huán)形結(jié)構(gòu)半徑大小,可以實(shí)現(xiàn)陣列天線的寬帶RCS減縮．在后續(xù)的工作中如何利用有限的空間布置更加緊密合理的環(huán)形結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)陣列天線良好的寬帶RCS減縮效果將會(huì)是研究的重點(diǎn)．

3 結(jié) 論

基于環(huán)形金屬結(jié)構(gòu)之間的散射特性,設(shè)計(jì)了一種低雷達(dá)散射截面的微帶貼片天線．本文先研究了環(huán)的數(shù)量及形狀對(duì)RCS減縮效果的影響,然后將圓形環(huán)狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到微帶貼片天線上,實(shí)現(xiàn)了寬帶的RCS減縮．本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低且易于加工,對(duì)天線輻射性能影響較小,能在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)RCS的減縮,為微帶陣列天線的寬帶RCS減縮提供了一種新的解決方法．

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Radar cross-section reduction of a microstrip antenna using annulus metallic material

LIU Ying YU Xu GONG Shuxi

(KeyLaboratoryandMicrowaveTechnology,CollaborativeInnovationCenterofInformationSensingandUnderstanding,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

Annulus metallic material (AMM) is used in microstrip antenna to achieve low radar cross section(RCS) property in a wide frequency band. The structure is composed of several concentric annuluses. By placing the metallic annuluses around the radiation patch of the reference microstrip antenna, wideband monostatic RCS reduction is achieved. The results indicate that the proposed antenna possesses obvious RCS reduction from 6 GHz to 25 GHz for both x- and y-polarized vertically incident waves. The maximum reduction is achieved at 12.8 GHz for as much as 30 dB and the radiation performance of the antenna is well preserved.

radar cross section; microstrip antenna; annular metallic material (AMM); wideband

10.13443/j.cjors.2016120801

2016-12-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(61372001)

TN82

A

1005-0388(2016)06-1107-06

劉英 (1977-),女,河南人,博士,西安電子科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)殡姶派⑸渑c隱身技術(shù)、天線理論與設(shè)計(jì)等．

于旭 (1990-),男,河南人,西安電子科技大學(xué)碩士研究生在讀,主要研究方向?yàn)殡姶派⑸渑c隱身技術(shù)等．

龔書喜 (1957-),男,河北人,博士,西安電子科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,天線與微波重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,主要研究方向?yàn)樘炀€與電磁理論．

劉英,于旭,龔書喜. 環(huán)形金屬在微帶天線雷達(dá)散射截面減縮的應(yīng)用[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(6):1107-1112.

LIU Y, YU X, GONG S X. Radar cross-section reduction of a microstrip antenna using annulus metallic material[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1107-1112. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016120801

聯(lián)系人： 劉英E-mail: liuying@mail.xidian.edu.cn

DOI 10.13443/j.cjors.2016120801