基于輻射散射一體化技術(shù)的低RCS貼片天線陣列設(shè)計(jì)

郝 彪, 楊賓鋒, 高 軍, 曹祥玉, 楊歡歡, 李 桐

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安，710077)

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的不斷升級，世界各國對武器裝備隱身特性的要求也越來越高。天線作為無線通信設(shè)備中的重要組成部分，因其特殊作用往往會引起較大的雷達(dá)反射截面(Radar Cross Section, RCS)，直接降低武器裝備在戰(zhàn)場的生存性[1]。因此，設(shè)計(jì)出低RCS天線對現(xiàn)代軍事裝備發(fā)展具有重要意義。

近些年，電磁超材料(Metamaterial，MTM)的蓬勃發(fā)展，為降低天線RCS提供了新方向。電磁超材料多指自然界中不存在，具有特殊電磁特性的人造亞波長周期結(jié)構(gòu)[2]。幾個(gè)主要的研究方向有頻率選擇表面[3-4]、人工磁導(dǎo)體[5-7]、完美吸波體[8-9]、極化旋轉(zhuǎn)表面等[10-12]。但是，傳統(tǒng)方法將超材料單元與天線單元分別設(shè)計(jì)，而后按一定排列方式組合在一起，這樣往往會增大天線口徑，而且對天線原本的輻射性能產(chǎn)生影響。因此，通過“散射體參與輻射”的思想，將具有人工磁導(dǎo)體特性的貼片接上饋電，利用2種人工磁導(dǎo)體相位相差180°的特點(diǎn)，得到同時(shí)具有輻射特性和低RCS的天線陣列[13]。文獻(xiàn)[14]利用磁電偶極于天線與周圍金屬地之間的相位差，使天線陣在x極化和y極化的6 dB減縮頻帶分別為5.3～11.9 GHz 和9.1～12.0 GHz。文獻(xiàn)[15]利用2種大小不同的方形貼片天線，通過相位對消進(jìn)行RCS減縮，同時(shí)2種單元分別在其所在頻段獨(dú)立工作。文獻(xiàn)[16]與文獻(xiàn)[17]都設(shè)計(jì)了2種工作頻段相近，反射相位相差180°的2種貼片天線單元，天線陣列的RCS得到了明顯降低，同時(shí)所有陣元可以工作在相同頻段。上述文獻(xiàn)均通過結(jié)合天線的反射相位來降低RCS，且整體功能也愈加完備。因此，將超材料充當(dāng)輻射體設(shè)計(jì)低RCS陣列天線成為了當(dāng)前熱點(diǎn)研究方向。

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于輻射散射一體化技術(shù)的低RCS貼片天線陣列，該天線陣列在9.5～11.5 GHz頻段內(nèi)，仿真增益穩(wěn)定在16 dBi以上。利用遺傳算法優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)，使散射場呈現(xiàn)一種漫散射形態(tài)，降低了天線陣列在整個(gè)空間散射場的RCS峰值。法線方向上x極化波照射時(shí)，單站RCS在8～15.9 GHz有所降低，其最大減縮量達(dá)17.1 dB；y極化波照射時(shí)，單站RCS在9.5～16 GHz有所降低，最大減縮量為13.1 dB。

1 理論分析

通過利用2種天線單元表面之間的反射相位差，使2種天線單元產(chǎn)生的反射波達(dá)到等幅反相的條件，進(jìn)而使天線陣的RCS得到減縮。

設(shè)2種天線被入射波照射后，產(chǎn)生的等幅的表面電場，大小為A，電場反射相位分別為φ1和φ2，

則反射波產(chǎn)生的總場強(qiáng)為：

E=Aejφ1F1+Aejφ2F2

(1)

式中：F1和F2是2種單元結(jié)構(gòu)的陣因子。

F1=ej(kx+ky)d/2+ej(-kx-ky)d/2

(2)

F2=ej(kx-ky)d/2+ej(-kx+ky)d/2

(3)

x=sinθcosφ

(4)

y=sinθsinφ

(5)

式中：θ和φ為入射波分別與水平面與垂直面的夾角，k=2π/λ，d為2種天線單元中心間距。

當(dāng)垂直入射時(shí)，θ與φ為0°，此時(shí)F1和F2的值為2，則式(1)可化為：

E=2A(ejφ1+ejφ2)

(6)

若2種天線單元的反射相位相同，設(shè)其反射場為E0，則：

E0=4Aejφ1

(7)

如果要求RCS減小的能量達(dá)10 dB，則有：

|E|2/|E0|2≤-10 dB

(8)

將式(6)、(7)帶入式(8)中，得到：

cos (φ1-φ2)≤-0.8

(9)

解得：

143°≤|φ1-φ2|≤217°

(10)

所以理論上講，當(dāng)垂直入射時(shí)，2種天線單元的反射相位若能滿足式(10)，則天線陣相較于同等面積的金屬板其RCS減縮可達(dá)10 dB。因此，一般將在143°～217°范圍內(nèi)的相位差稱為有效相位差[18-19]。

2 貼片單元設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

天線陣列由2種天線單元構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，尺寸參數(shù)如表1所示。2種天線的基本結(jié)構(gòu)相似，二者介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.2，都采用L型探針對貼片進(jìn)行激勵(lì)，下方焊接50 Ω 的SMA連接器為其饋電，金屬地上刻有矩形槽。

圖1 2種天線單元結(jié)構(gòu)圖

表1 天線尺寸參數(shù) mm

2種天線單元的|S11|及增益仿真曲線如圖2所示。單元A的-10 dB帶寬為9.1～11.7 GHz，單元B的-10 dB帶寬為8.8～11.2 GHz，共同帶寬為9.1～11.2 GHz。在其共同的頻帶下，2種天線單元的增益均在6 dBi以上。2種天線單元的輻射方向圖如圖3所示，二者方向圖相似度較高，且交叉極化小，在天線陣輻射過程中，可看作相同陣元。

圖2 天線單元|S11|及增益曲線

圖3 天線單元輻射方向圖

2種天線單元的散射特性如圖4所示，當(dāng)x極化波垂直照射2種天線單元時(shí)，反射幅度保持在0 dB附近，天線不會吸收來波，組成陣列后RCS縮減靠在11.5 GHz附近的相位對消實(shí)現(xiàn)。當(dāng)y極化波垂直入射時(shí)，反射幅度在9～12.5 GHz時(shí)小于-3 dB，可以對入射波進(jìn)行一定程度的吸收，從而減小天線RCS，同時(shí)在14 GHz附近可利用2種單元存在180°的有效相位差來減縮天線的RCS。

圖4 天線單元的散射特性

3 低RCS天線陣列設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)2種天線單元具有相似輻射特性，可以將其組合成為4×4天線陣。同時(shí)根據(jù)2種天線單元的反射特性，組成陣列后其RCS相比同頻段4×4參考天線陣更低，參考天線陣結(jié)構(gòu)如圖5 (a)所示。按照傳統(tǒng)的棋盤排布方式，垂直入射時(shí)，利用相位對消原理將法線方向的RCS進(jìn)行減縮，對于其他方向仍能造成一些較大的散射峰。依據(jù)編碼超材料理論，采用非周期的編碼排布方式可使超材料產(chǎn)生不規(guī)則的反射，達(dá)到一種漫散射效果，使散射能量分布更加均勻，從而降低陣列的峰值RCS。

遺傳算法可高效地計(jì)算出使陣列峰值RCS最小時(shí)的單元排布方式。2種天線單元在11 GHz時(shí)，x極化波垂直入射時(shí)反射相位差在有效相位差內(nèi)，為了對x極化時(shí)降低天線峰值RCS，選取11 GHz作為遺傳算法優(yōu)化非周期排布的頻率參數(shù)。最終得到設(shè)計(jì)天線陣如圖5 (b)所示。

圖5 天線陣列

對天線陣中所有單元等幅同相饋電，仿真增益曲線如圖6所示，設(shè)計(jì)天線陣的增益穩(wěn)定在16 dBi以上，且高于參考天線陣的增益值。設(shè)計(jì)天線陣輻射方向圖的仿真結(jié)果如圖7所示，天線陣的副瓣較小，輻射方向性較強(qiáng)，且交叉極化總體保持在較低水平。仿真表明該天線陣總體輻射性能良好。

圖6 天線陣列增益仿真曲線

圖7 設(shè)計(jì)天線陣列輻射方向圖

對天線陣的散射特性進(jìn)行仿真，當(dāng)電磁波垂直照射時(shí)，其單站RCS特性曲線如圖8所示?？梢钥闯觯啾扔趨⒖继炀€陣，設(shè)計(jì)天線陣的RCS值減縮明顯，當(dāng)x極化波照射時(shí)，RCS減縮帶寬為8～15.9 GHz，最大減縮量為17.1 dB，主要由2種天線單元的反射波相互抵消所致；當(dāng)y極化波照射時(shí)，RCS減縮帶寬為9.5～16 GHz，最大減縮量為13.1 dB，由2種天線單元對來波的吸收和反射波相互抵消共同作用所致。

圖8 天線陣法線方向上單站RCS特性

由于采用非周期編碼，RCS并不只考慮在法線方向上的減縮，而是對整個(gè)空間全盤考慮，使其RCS峰值最小，對11 GHz時(shí)天線陣的三維散射場如圖9所示。

x極化波照射下，設(shè)計(jì)天線陣的峰值RCS為-15.5 dBsm，相較于棋盤式天線陣，其整個(gè)散射場在空間中的分布比較均勻，RCS峰值明顯低于棋盤式天線陣；y極化波照射下，其與棋盤式天線陣的散射場都較為均勻的分布在整個(gè)空間中，但總體來看，其RCS峰值仍比棋盤式天線陣低。

為更好說明本文設(shè)計(jì)天線陣的特點(diǎn)，現(xiàn)將所做工作與文獻(xiàn)[15～17]進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。本文采用不同于其他文獻(xiàn)非周期布陣方式，因而出現(xiàn)了漫散射現(xiàn)象，同時(shí)具備了良好的輻射性能。

表2 本文與文獻(xiàn)[15～17]所設(shè)計(jì)天線陣性能對比

4 天線陣列加工與測試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)天線陣列的性能，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟件仿真并進(jìn)行實(shí)際樣品的測試，實(shí)際天線及測試環(huán)境如圖10所示。

圖10 天線陣列實(shí)測

設(shè)計(jì)天線陣的實(shí)測增益曲線如圖11所示，實(shí)測結(jié)果較仿真整體略有降低，但隨頻率增加而升高的趨勢不變。個(gè)別頻點(diǎn)實(shí)測增益大于仿真增益，可能是由實(shí)物陣列在該點(diǎn)處|S11|要低于仿真值導(dǎo)致。設(shè)計(jì)天線陣的實(shí)測方向圖如圖12所示，可以看出實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)構(gòu)擬合較好。

圖11 設(shè)計(jì)天線陣的增益曲線

圖12 設(shè)計(jì)天線陣輻射方向圖

實(shí)測天線陣列在法線方向上的單站RCS減縮曲線如圖13所示。從實(shí)測結(jié)果來看，減縮頻段往高頻偏了約100 MHz，有可能由于加工誤差以及裝配誤差導(dǎo)致，整體上與仿真結(jié)果相吻合。在對陣列4角打固定孔后進(jìn)行后仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)RCS曲線向右頻移了約50 MHz，是該誤差的主要來源。

圖13 天線陣法線方向上單站RCS特性

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于輻射散射一體化技術(shù)的低RCS貼片天線陣列，通過將具有相似輻射特性而在特定頻段反射相位相差180°的2種天線單元按4×4方式組陣。利用遺傳算法高效尋找出能使天線陣列RCS峰值最低的非周期排布方式，使天線陣列達(dá)到漫反射效果。天線陣列具有良好輻射特性，方向圖良好并且副瓣較低，增益較參考天線陣有所提高且穩(wěn)定在16 dBi以上。天線陣同時(shí)具有低RCS特性，相較參考天線陣，入射波為x極化與y極化時(shí)，RCS分別在8～15.9 GHz與9.5～16 GHz有所減縮，最大減縮量分別為17.1 dB和13.1 dB；在x極化波入射時(shí)，非周期的排布方式使其較傳統(tǒng)的棋盤布陣方式散射場分布更加均勻，峰值RCS也更小。該天線陣無需在周圍利用其他超材料來幫助其減小RCS，有效的控制了陣列的口徑。該低RCS天線陣列設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)方法，為直接設(shè)計(jì)低RCS天線陣提供了一個(gè)新的思路，具有一定的研究價(jià)值。