低雷達(dá)散射截面的微帶天線設(shè)計(jì)*

朱長春，何 銀

(1.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710129)

fractal antenna

近年來，隨著軍事隱身技術(shù)的迅速發(fā)展，各軍事大國在隱身技術(shù)的研究領(lǐng)域投入了巨大的人力物力.其中，微帶貼片天線由于其自身結(jié)構(gòu)簡單，低剖面，易于布陣等特點(diǎn)，在隱身平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中得到了大量的使用.出現(xiàn)了多種新型的天線雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)縮減方案[1-13].例如對(duì)微帶貼片天線，在其與人工磁導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，可以得到帶內(nèi)、帶外RCS的同時(shí)縮減.但是這種方法的不足之處是很難實(shí)現(xiàn)寬角度范圍內(nèi)的天線RCS縮減[1].此外，微帶貼片天線作為一種窄帶天線結(jié)構(gòu)，集總電阻加載將不可避免地對(duì)天線輻射性能造成一定程度的影響[2].通過在貼片表面開槽可以阻斷高次模感應(yīng)電流的流動(dòng)，這是縮減天線RCS的一種常用方法[3]，這種方法實(shí)用性很好，但是由于開槽過程不影響主模電流的流動(dòng)，因此僅可以縮減帶外RCS，因此實(shí)際使用中，常與其他方法相結(jié)合使用.簡單意義上講，天線的尺寸越小，同條件下其RCS越小，因此縮小天線的尺寸是一種有效的RCS縮減手段[4].但是，天線尺寸尤其是貼片尺寸下降的同時(shí)將會(huì)引起天線輻射增益的劇烈下降.在微帶天線上加載短路針或者短路片是有效的實(shí)現(xiàn)天線小型化的方法，可在保持天線的輻射特性基本不變的前提下取得良好的RCS縮減效果.

本文給出了兩種低RCS微帶貼片天線結(jié)構(gòu)，分別是基于開槽技術(shù)以及分形技術(shù)[5]的低RCS天線.兩種結(jié)構(gòu)可以在1～12 GHz的較寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的RCS縮減效果.綜合縮減效果集中在5～20 dB之間.

1 天線散射理論分析

建立如圖1所示的的天線散射理論模型，a0與b0為饋電傳輸線參考平面S1的入射波幅度和出射波幅度.將天線外空間場(chǎng)按照球面波展開式展開為

(1)

其中ai與bi分別為外空間球面上的第i個(gè)入射波與出射波的幅度值.通過散射矩陣的變換，可以推導(dǎo)出天線散射場(chǎng)幅度的表達(dá)式為

(2)

由式(1)～(2)推導(dǎo)出天線散射基礎(chǔ)理論公式為

(3)

簡記為

Es(Z1)=Es(Zc)+Ea(Z1)

(4)

圖1 天線散射機(jī)理示意圖

由此可知，天線的RCS主要是由天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS和天線模式項(xiàng)RCS兩部分組成.當(dāng)入射波激勵(lì)時(shí)，由于負(fù)載與天線不匹配，從而會(huì)導(dǎo)致二次輻射，由此產(chǎn)生的RCS是天線模式項(xiàng)RCS，該RCS隨著天線負(fù)載的情況而變化.而天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS則與天線負(fù)載無關(guān)，其散射機(jī)理與普通散射體一致，由天線的外形決定.

在天線RCS縮減技術(shù)研究中，一般假設(shè)天線匹配情況良好，忽略天線模式項(xiàng)RCS對(duì)天線RCS的影響，只研究天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS.因此，本文采用開槽、加短路針及分形技術(shù)等方法，縮減天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS，從而實(shí)現(xiàn)天線RCS縮減.

2 低RCS微帶天線設(shè)計(jì)

選用諧振頻率為2.45 GHz的微帶貼片天線為參考天線Ant1.結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 天線Ant1結(jié)構(gòu)

參考天線在頻率為2.45 GHz時(shí)S11=-43.6 dB，在最大輻射方向上的輻射增益為4.25 dB，半功率波瓣寬度為2θ0.5=76°.地板采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板.

針對(duì)垂直入射的情況下地板以及貼片表面的鏡像反射，采用地板中心開槽的設(shè)計(jì)方案.觀察地板表面感應(yīng)電場(chǎng)的分布之后，將開槽的位置集中在天線貼片與地板的重合位置.分別在地板的(L/4,W/4)、(0.4L,0.4W)、(-0.4L,0)、(0,0.4W)等12個(gè)位置上開半徑為R1=2.5 mm的圓形孔槽.同時(shí)將原有參考天線Ant1的地板尺寸由2W×2L縮減為1.4W×1.4L.

針對(duì)斜入射情況貼片表面感應(yīng)電場(chǎng)分布的邊緣效應(yīng)，選擇在貼片上 (±L/2,±W/4)、(0，±W/2) 6個(gè)點(diǎn)處開半徑為R2=4 mm的半圓形槽.

針對(duì)貼片表面的感應(yīng)電場(chǎng)分布，分別在(0.5，-6)和(0.5，6)這兩個(gè)感應(yīng)電流相對(duì)集中的點(diǎn)，放置半徑為0.6 mm的銅芯短路探針.

針對(duì)貼片表面的散射時(shí)的高次模分量，在貼片表面(-15.1，-5)和(-15.1,4)處開寬為1 mm長為8 mm的矩形槽，在(9.1,-5)和(9.1，4)處開長為6 mm寬為1 mm的矩形槽，同時(shí)在(-8.8，-10)以及(-8.8,10)處分別開兩個(gè)一階Koch分形鋸齒槽.天線Ant2的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示.

圖3 線Ant2結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Ant2 antenna

S11參數(shù)如圖4所示，輻射方向圖如圖5所示.天線Ant2的最大輻射方向上的輻射增益為3.12 dB，相對(duì)于參考天線Ant1下降了1.13 dB.

天線Ant2的散射性能如圖6所示.在垂直入射下，天線Ant2可以1～12 GHz的寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的RCS縮減效果.斜入射時(shí)天線Ant2在高頻端的RCS縮減效果明顯優(yōu)于低頻段，最大縮減幅度達(dá)到20 dB.

圖4天線Ant1和Ant2的S11參數(shù)

Fig.4S11parameters of Ant1 and Ant2 antennas

圖5 天線Ant1和Ant2的輻射方向

圖6 天線Ant1與Ant2的RCS對(duì)比

3 分形天線設(shè)計(jì)

天線Ant3的結(jié)構(gòu)如圖7所示.微帶貼片天線的輻射邊W=30 mm，諧振邊L=29.4 mm，饋源的坐標(biāo)點(diǎn)優(yōu)化為(6.0，0).同時(shí)在貼片表面(-0.3，-10)和(-0.3,9)處分別開長為13 mm寬為1 mm的矩形槽，在(-12，-14)和(-12，13)處開長為10 mm寬為1 mm的矩形槽.天線Ant3的S11參數(shù)如圖8所示，天線Ant3的諧振頻率為2.46 GHz，相比于參考天線Ant1變化不大.輻射方向圖如圖9所示，Ant3在最大方向上的輻射增益為3.29 dB，相比于參考天線Ant1下降0.96 dB.

圖7 天線Ant3結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of Ant3 antenna

散射性能如圖10所示，在垂直入射時(shí)，天線Ant3可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的RCS縮減效果.斜入射情況下，天線Ant3在高頻端的RCS縮減效果明顯優(yōu)于低頻段.在當(dāng)θ=75°，φ=30°，入射頻率為7.3 GHz時(shí)，最大縮減效果達(dá)到15 dB.

圖8 天線Ant1和Ant3的S11參數(shù)

圖9 天線Ant1和Ant3的輻射方向

4 結(jié) 論

1) 本文設(shè)計(jì)的天線的RCS縮減特性與參考文獻(xiàn)中的天線RCS縮減性能相比較，低RCS天線可以達(dá)到對(duì)帶內(nèi)、帶外的RCS同時(shí)減縮，在大角度斜入射的情況下，RCS減縮效果明顯.

2) 利用開槽技術(shù)、分形技術(shù)以及天線小型化技術(shù)設(shè)計(jì)了兩款低RCS微帶天線模型，兩款天線在1～12 GHz的頻范率圍內(nèi)取得了良好的RCS縮減效果，綜合縮減效果集中在5～20 dB之間，達(dá)到了微帶天線RCS減縮的目的.