電磁超構(gòu)表面與天線結(jié)構(gòu)一體化的低RCS 陣列*

馮奎勝 李娜 楊歡歡

1) (陽(yáng)光學(xué)院人工智能學(xué)院,福州 350015)

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

提出一種電磁超構(gòu)表面與天線一體化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)低散射陣列的新方法.該方法利用傳輸線將超構(gòu)表面部分單元串聯(lián),并采用同軸饋電激勵(lì),以此得到新型天線陣列,該陣列的輻射性能和傳統(tǒng)陣列幾乎相同;當(dāng)外來(lái)雷達(dá)波照射該陣列時(shí),利用超構(gòu)表面和其周圍天線結(jié)構(gòu)散射場(chǎng)的差異,將能量在空間重新分配,從而實(shí)現(xiàn)天線工作頻帶內(nèi)的雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)減縮.基于該方法,以2×1 陣列為例,構(gòu)建了天線模型,數(shù)值分析了其性能,驗(yàn)證了該陣列的良好輻射和低RCS 特征,并詳細(xì)闡述了天線的工作機(jī)理,進(jìn)一步的分析還揭示了超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射和散射性能的影響規(guī)律.遵循該規(guī)律,可以靈活設(shè)計(jì)滿足需求的天線陣列.該方法不僅簡(jiǎn)單易行、集成度高,還可以拓展至更大規(guī)模的陣列天線設(shè)計(jì).

1 引言

自然界中不同媒質(zhì)的分界面存在天然的金屬、介質(zhì)表面,電磁波沿這些表面區(qū)域的傳輸遵循經(jīng)典的Snell 定律.2011 年,哈佛大學(xué)Cappaso 課題組[1]首次提出電磁 “超表面” 的概念,這類表面是將人工構(gòu)造的金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)以 “原子” 的形式按照特定宏觀序排列而成.和天然表面相比,這類超表面可以突破經(jīng)典Snell 定律的限制,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波任意的反射、折射,甚至是極化方式、傳播模式的轉(zhuǎn)換[2].隨后,東南大學(xué)崔鐵軍課題組[3]提出數(shù)字和可編程超表面的概念,由此,超構(gòu)表面的研究如雨后春筍不斷涌現(xiàn),寬帶[4,5]、多功能[6,7]、可重構(gòu)[8]、可編程[9,10]等各種高性能的超構(gòu)表面得到長(zhǎng)足發(fā)展,與之相伴的基于超構(gòu)表面的功能器件,如高性能天線[11]、極化轉(zhuǎn)換器[12]、分頻器[13]、先進(jìn)透鏡[14]等也多有報(bào)道.

將超構(gòu)表面用于天線設(shè)計(jì)為天線技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊空間.尤其值得關(guān)注的是,超構(gòu)表面還為解決傳統(tǒng)天線面臨的雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)偏高的難題開辟了全新技術(shù)路徑[15?18].早在2007 年,研究人員就提出利用超構(gòu)表面的同相反射特性和金屬表面產(chǎn)生的反相場(chǎng)對(duì)消[19],可以縮減天線RCS.而后,為了增加RCS 減縮帶寬,研究人員還將兩種超構(gòu)表面或極化旋轉(zhuǎn)超構(gòu)表面用于天線[20?23],在對(duì)天線輻射性能影響較小的同時(shí)縮減了RCS.此外,我們提出利用超構(gòu)表面的完美吸波[24,25]和選擇透波[26]特性,也可以有效抑制天線散射的峰值.以上研究表明,利用超構(gòu)表面縮減天線工作頻帶外RCS 較易實(shí)現(xiàn).相比之下,天線工作頻帶內(nèi)的RCS 減縮則要困難得多,且往往會(huì)對(duì)天線輻射性能造成影響.如文獻(xiàn)[27]將超構(gòu)表面環(huán)形加載在波導(dǎo)縫隙天線的金屬口面周圍,利用散射場(chǎng)對(duì)消原理使帶內(nèi)RCS 最大減縮20 dB 以上,但天線單元的口徑尺寸增加到1.5λ×1.5λ(λ為天線諧振頻率對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)),同時(shí)方向圖也發(fā)生了變化,增益提高1.7 dB.文獻(xiàn)[28]將吸波型超構(gòu)表面加載到波導(dǎo)輻射縫隙周圍,天線帶內(nèi)RCS 最大縮減14 dB,增益下降0.6 dB.文獻(xiàn)[29]基于散射對(duì)消和極化旋轉(zhuǎn)機(jī)理,通過(guò)在印刷天線周圍加載超構(gòu)表面,實(shí)現(xiàn)了圓極化天線帶內(nèi)帶外6 dB 以上的RCS 減縮,同時(shí)口徑尺寸增大到1.6λ×1.6λ,天線增益提高5.6 dB.文獻(xiàn)[30]將具有吸波和極化旋轉(zhuǎn)性能的混合型超構(gòu)表面加載到縫隙天線陣列的上方,在包含輻射頻帶的寬帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了RCS 減縮,天線增益下降0.8 dB.這些研究反復(fù)證明,電磁超構(gòu)表面可以用于縮減天線帶內(nèi)RCS,但如何在縮減RCS 的同時(shí)保持天線輻射性能不變依然非常具有挑戰(zhàn)性.總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出,天線帶內(nèi)RCS 減縮仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),實(shí)現(xiàn)輻射性能不變且?guī)?nèi)RCS 減縮的難度較大,相關(guān)報(bào)道也相對(duì)較少.另一方面,相較于早期多采用超構(gòu)表面加載于天線周圍縮減其RCS 的應(yīng)用方式,超構(gòu)表面和天線的一體化具有更緊湊的結(jié)構(gòu)[18,31,32],更符合現(xiàn)代電子系統(tǒng)的集成化、小型化的發(fā)展趨勢(shì).但怎樣兼顧天線與超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu),同時(shí)綜合考慮超構(gòu)表面性能和天線的輻射、散射性能是其中的關(guān)鍵.

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種電磁超構(gòu)表面與陣列天線一體化設(shè)計(jì)的新方法,該方法以電磁超構(gòu)表面直接作為天線輻射結(jié)構(gòu)的一部分,并通過(guò)適當(dāng)?shù)酿侂娂夹g(shù)實(shí)現(xiàn)陣列天線的輻射,而對(duì)于外來(lái)雷達(dá)波,電磁超構(gòu)表面的散射和天線其他結(jié)構(gòu)的散射共同作用,在空間的散射場(chǎng)疊加對(duì)消,使得陣列天線具有帶內(nèi)低RCS 特性.采用提出的方法,本文設(shè)計(jì)并仿真、驗(yàn)證了一個(gè)二元天線陣,結(jié)果證實(shí)了方法的有效性.

2 電磁超構(gòu)表面與天線結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)印刷微帶天線的貼片尺寸近似為半波長(zhǎng),而電磁超構(gòu)表面的單元尺寸通常為亞波長(zhǎng),基于此,本文提出把超構(gòu)表面的多個(gè)單元相連,并采用適當(dāng)?shù)酿侂娂?lì)構(gòu)成天線的輻射結(jié)構(gòu),此外,傳統(tǒng)微帶天線除輻射貼片外還有尺寸略大于貼片的金屬地,故在超構(gòu)表面之外增加介質(zhì)地,由此得到新的天線結(jié)構(gòu).為進(jìn)一步說(shuō)明該方法的具體實(shí)施過(guò)程和由該方法設(shè)計(jì)的天線輻射、散射工作原理,結(jié)合圖1,以二元陣為例進(jìn)行詳細(xì)闡述.圖1(a)為提出的超構(gòu)表面與天線結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的三維視圖,圖1(b)為對(duì)應(yīng)的俯視圖.圖1(c)為傳統(tǒng)微帶天線陣列的俯視圖,矩形金屬輻射貼片印刷在介質(zhì)板的上表面,并采用同軸線饋電,介質(zhì)板的下表面為天線的金屬地板.由圖1(c)的傳統(tǒng)陣列天線得到圖1(a)和圖1(b)所示提出天線的過(guò)程和原理可概括為3 步.

第一步:傳統(tǒng)陣列天線的單元工作在TM10模式,其輻射貼片沿y方向(天線主極化方向)的長(zhǎng)度接近λ/2,而超構(gòu)表面單元為亞波長(zhǎng),若采用λ/4 波長(zhǎng)設(shè)計(jì),則可以利用兩個(gè)超構(gòu)表面相連構(gòu)成天線的輻射結(jié)構(gòu),結(jié)合參數(shù)微調(diào)即可保證提出一體化天線的工作頻率和傳統(tǒng)天線一致.

第二步:超構(gòu)表面對(duì)雷達(dá)波的反射特性需要有一定數(shù)量規(guī)模的單元時(shí)才能較好體現(xiàn),因此圖1 的設(shè)計(jì)中利用4×4 超構(gòu)表面代替?zhèn)鹘y(tǒng)陣列的輻射貼片;根據(jù)第一步的分析,采用傳輸線沿y方向?qū)⒊瑯?gòu)表面的2 個(gè)單元相連,并將相鄰2 個(gè)相連單元連接,通過(guò)同軸線饋電,以此保證天線的工作頻率、帶寬和傳統(tǒng)天線一致.

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖 (a),(b)超構(gòu)表面與天線陣列一體化側(cè)視圖與俯視圖;(c)傳統(tǒng)天線陣列俯視圖Fig.1.Configurations of antennas:(a) Side view and (b) top view of metasurface antenna array;(c) top view of conventional antenna array.

第三步:分別優(yōu)化超構(gòu)表面單元沿x和沿y方向的兩個(gè)關(guān)鍵尺寸dx,dy,保證提出天線的工作頻率和圖1(c)的傳統(tǒng)陣列天線一致,同時(shí)使提出天線對(duì)x和y極化雷達(dá)波都具有較低的RCS.

為進(jìn)一步闡述優(yōu)化dx,dy對(duì)陣列天線RCS 的影響,對(duì)提出天線的RCS 可按(1)式計(jì)算分析[33],

其中,σs和σa分別表示結(jié)構(gòu)項(xiàng)和模式項(xiàng)RCS,Γa是天線端口的反射系數(shù),φ是結(jié)構(gòu)項(xiàng)和模式項(xiàng)RCS 的相位差.在天線工作頻帶內(nèi),由互易原理可知,y極化照射雷達(dá)波將被天線端接匹配負(fù)載所吸收,此時(shí)由天線二次輻射產(chǎn)生的模式項(xiàng)RCS 近似為0,且當(dāng)天線口徑較小時(shí),其結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS 也很小,因此,在保證天線良好匹配的前提下,提出的天線在y極化方向天然具有低RCS 性能.對(duì)于x極化雷達(dá)波,模式項(xiàng)RCS 因極化正交為0,此時(shí)天線陣列可視為中心區(qū)域的超構(gòu)表面(圖1(b)中黃色虛線包圍部分A1)和周圍介質(zhì)地(區(qū)域A2)兩個(gè)部分構(gòu)成的普通散射體;由于天線所用介質(zhì)板為低損耗材料,因此兩部分對(duì)垂直照射雷達(dá)波的反射幅度都接近為1,在垂直雷達(dá)波照射下,該天線的散射電場(chǎng)可表示為

其中,SA1和SA2分別為區(qū)域A1 和A2 的面積,φ1和φ2分別為對(duì)應(yīng)的反射相位,E0為單位面積的散射場(chǎng),由此可知,若A1 和A2 的面積及反射相位差合適,兩部分的散射場(chǎng)在空間將產(chǎn)生矢量對(duì)消的效果,從而實(shí)現(xiàn)RCS 減縮.綜上所述,改變dy的尺寸可以調(diào)節(jié)天線的工作頻帶和y極化方向的RCS,改變dx的尺寸可以調(diào)節(jié)天線沿x極化方向的RCS.且以上述方法設(shè)計(jì)的天線在實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)低RCS的同時(shí),可以兼顧天線良好的輻射性能.

3 陣列天線仿真與分析

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的有效性,采用基于有限元的數(shù)值方法,分別對(duì)圖1 中的傳統(tǒng)天線陣列和提出天線陣列進(jìn)行仿真分析.提出天線的中心區(qū)域由4×4 的超構(gòu)表面構(gòu)成,每個(gè)超構(gòu)表面單元為矩形金屬貼片結(jié)構(gòu),貼片的尺寸為dx×dy,周期為px×py.以F4 B 玻璃布板作為整個(gè)天線的介質(zhì)板,其介電常數(shù)為2.65,損耗角正切0.002.優(yōu)化后,dx取 11.0 mm,dy取 4.5 mm,px取 12.0 mm,py取5.0 mm,w1取4.0 mm,w2取1.2 mm.傳統(tǒng)天線陣列和提出天線陣列采用電參數(shù)和物理尺寸完全相同的介質(zhì)板,兩個(gè)陣列的外形尺寸都為60 mm×40 mm×2 mm (x×y×z).傳統(tǒng)天線陣列的單元貼片尺寸lx取16.0 mm,ly取13.0 mm,單元饋電點(diǎn)距離中心點(diǎn)2.5 mm,兩個(gè)單元的間距為24 mm (近似為6.3 GHz 對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2).

3.1 一體化超構(gòu)表面天線與傳統(tǒng)天線的性能對(duì)比

作為對(duì)比,以傳統(tǒng)的2×1 矩形貼片微帶陣列天線為參考天線陣(ref.,下同),圖1 所示的一體化超構(gòu)表面陣列天線為新提出天線陣(prop.,下同).圖2 給出了兩種天線的輻射性能數(shù)值分析結(jié)果.從圖2(a)可以看出,新提出天線陣的阻抗帶寬為6.09—6.52 GHz,略寬于參考天線陣;圖2(b)和圖2(c)為天線陣列在6.3 GHz 的輻射方向圖,參考天線陣和新提出天線陣的主輻射空域和增益幾乎一致.為了理解天線的輻射機(jī)理,圖3(a)和圖3(b)對(duì)比給出了兩種天線的表面電流分布.圖3(b)表明參考天線陣的單元工作于TM10模式,兩個(gè)單元的輻射電流同相,輻射場(chǎng)在空間同方向疊加,形成聚焦波束;由圖3(a)可以看出,同軸饋電的電流經(jīng)傳輸線,在與傳輸線相連的超構(gòu)表面單元上流動(dòng),而未與傳輸線相連的超構(gòu)表面單元在耦合作用下也感應(yīng)有幅度略小的電流,所有超構(gòu)表面單元上的電流都主要沿y方向流動(dòng),且相位同向,它們的輻射場(chǎng)同樣在空間同相疊加,形成匯聚波束,且由于新提出天線陣的表面電流在超構(gòu)表面的下半部分強(qiáng)度略大,導(dǎo)致天線的輻射波束沿–y方向稍有傾斜,這解釋了圖2(b)中的方向圖結(jié)果.上述電流分析說(shuō)明,采用傳輸線連接和同軸饋電的新提出天線陣可以有效輻射,且與傳統(tǒng)陣列的輻射性能基本相同.

圖2 天線陣列輻射性能對(duì)比 (a)反射系數(shù);(b) E 面方向圖;(c) H 面方向圖Fig.2.Radiation performance comparison of the antenna arrays:(a) Reflection coefficients;(b) E-plane radiation patterns;(c) Hplane radiation patterns.

圖3 6.3 GHz 天線陣列表面電流 (a)新提出天線陣;(b)參考天線陣Fig.3.Surface current distributions at 6.3 GHz:(a) Proposed antenna array;(b) reference antenna array.

采用平面波分別垂直照射兩種天線陣列,圖4和圖5 給出了不同極化波照射下陣列天線的散射性能.圖4 比較了陣列的單站RCS,可以看到,對(duì)于x極化雷達(dá)波,參考天線陣的RCS 隨頻率變化幾乎直線上升,而新提出天線陣在5.7—8.0 GHz內(nèi)較參考天線有RCS 減縮,且在6.05—7.15 GHz內(nèi)RCS 減縮超過(guò)5 dB;對(duì)于y極化波,參考天線陣和新提出天線陣在輻射頻帶內(nèi)的RCS 都相對(duì)較低.進(jìn)一步地,圖5 對(duì)比了兩種天線在輻射工作頻帶內(nèi)外的散射方向圖,其中圖5(a)—圖5(d)對(duì)應(yīng)參考天線陣,圖5(e)—圖5(h)對(duì)應(yīng)新提出天線陣.對(duì)比圖5(a)和圖5(e)、圖5(c)和圖5(g)可知,對(duì)于x極化,參考天線陣RCS 較高的原因在于天線法線方向形成了強(qiáng)散射峰,而新提出天線陣將散射能量打散至整個(gè)空間,因此RCS 得到了明顯減縮.對(duì)于y極化,圖5(b)和圖5(f)表明,參考天線陣和新提出天線陣的散射場(chǎng)都很小,此時(shí),外來(lái)雷達(dá)波的能量主要被天線饋電端的匹配負(fù)載所吸收[8];而在天線工作頻帶外,由于不存在匹配吸收,此時(shí)兩種天線的散射場(chǎng)都較高,如圖5(d)和圖5(h).為更深入理解天線的散射機(jī)理,圖6 對(duì)比了不同極化波照射下天線陣列的表面感應(yīng)電流.從圖6(a)和圖6(b)可以看出,在x極化雷達(dá)波照射下,參考天線陣在A1 和A2 區(qū)域內(nèi)激勵(lì)起同相電流,這導(dǎo)致法向散射場(chǎng)較大,而新提出天線陣在A1 和A2 區(qū)域內(nèi)激勵(lì)的電流方向相反,散射場(chǎng)在空間可以有效對(duì)消;圖6(c)和圖6(d)表明,在y極化雷達(dá)波照射下,兩種天線的表面散射電流和圖3(a)以及圖3(b)的輻射電流非常相似,這印證了天線的互易性,此外,A1 區(qū)域的電流幅度明顯強(qiáng)于A2 區(qū)域,此時(shí)天線的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射也很小,因此,兩種天線對(duì)y極化波都具有帶內(nèi)低散射特點(diǎn).總之,上述結(jié)果說(shuō)明,一體化設(shè)計(jì)的天線在輻射工作頻帶內(nèi)對(duì)不同極化都具有低RCS 性能,且當(dāng)雷達(dá)波和天線極化正交時(shí),還具有寬帶低RCS 特點(diǎn).

圖4 天線陣列RCS 對(duì)比Fig.4.RCS comparison of the antenna arrays.

圖5 天線陣列散射方向圖對(duì)比 (a)—(d)參考天線陣;(e)—(h)新提出天線陣Fig.5.Scattering patterns comparison of the antenna arrays:(a)?(d) Reference antenna array;(e)?(h) the proposed antenna array.

圖6 不同極化平面波照射下天線陣列在6.3 GHz 的表面電流 (a),(b) x 極化;(c),(d) y 極化Fig.6.Surface current distributions at 6.3 GHz of the two antennas under different polarized plane waves:(a),(b) x polarization;(c),(d) y polarization.

3.2 超表面結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響

值得關(guān)注的是,由于超構(gòu)表面和天線結(jié)構(gòu)是一體化的,所以超構(gòu)表面的尺寸和天線的性能息息相關(guān).上一節(jié)的分析表明,天線陣列在x極化雷達(dá)波照射下的低RCS 主要得益于超構(gòu)表面和四周金屬地的散射場(chǎng)對(duì)消,而在y極化雷達(dá)波照射下的低RCS 主要是天線輻射工作頻帶內(nèi)的匹配吸收所致.基于此,可以預(yù)測(cè),對(duì)于x極化,當(dāng)超構(gòu)表面的貼片尺寸dx增大時(shí),其同相反射頻帶將向低頻偏移,從而使天線的RCS 減縮頻帶也向低頻移動(dòng),而dy變化時(shí),對(duì)天線RCS 的影響將很小;對(duì)于y極化,結(jié)合圖3 中的電流分布可知,dx和dy都將影響天線的工作頻帶,且dy的變化直接改變輻射時(shí)的電流路徑,因此影響要大于dx,故低RCS 頻帶對(duì)dy的敏感性要大于對(duì)dx的敏感性.按照相同的思路和方法,也可以分析其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如px,py,w1等對(duì)天線性能的影響,限于篇幅,這里不再贅述.為證實(shí)上述分析的有效性,圖7—圖9 給出了天線的阻抗帶寬和單站RCS 隨dx,dy,w1的變化結(jié)果.圖7(a)和圖8(a)表明,隨著dx,dy的增大,天線的工作頻帶整體都向低頻移動(dòng),且對(duì)dy的變化更敏感,圖9(a)表明,隨著w1的增大,工作頻帶向高頻移動(dòng);與之相對(duì)應(yīng),圖7(c)和圖8(c)說(shuō)明y極化雷達(dá)波照射下的低RCS 頻帶也向低頻移動(dòng),圖9(c)則向高頻移動(dòng),其變化規(guī)律和天線輻射時(shí)工作頻帶的變化規(guī)律相同.比較圖7(b)、圖8(b)和圖9(b)可知,dx增大時(shí),低RCS 頻帶整體向低頻移動(dòng),而dy和w1的變化對(duì)低RCS 頻帶幾乎無(wú)影響.綜上所述,數(shù)值分析結(jié)果完全驗(yàn)證了理論分析的正確性.根據(jù)這些規(guī)律,可以通過(guò)超構(gòu)表面單元參數(shù)的選擇,設(shè)計(jì)在所需頻率具有低RCS 性能的天線陣列.

圖7 dx 對(duì)天線性能的影響 (a)反射系數(shù);(b) x 極化RCS;(c) y 極化RCSFig.7.Effects of dx on antenna's performance:(a) Reflection coefficient;(b) RCS under x polarized plane wave;(c) RCS under y polarized plane wave.

圖8 dy 對(duì)天線性能的影響 (a)反射系數(shù);(b) x 極化RCS;(c) y 極化RCSFig.8.Effects of dy on antenna's performance:(a) Reflection coefficient;(b) RCS under x polarized plane wave;(c) RCS under y polarized plane wave.

圖9 w1 對(duì)天線性能的影響 (a)反射系數(shù);(b) x 極化RCS;(c) y 極化RCSFig.9.Effects of w1 on antenna's performance:(a) Reflection coefficient;(b) RCS under x polarized plane wave;(c) RCS under y polarized plane wave.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用成熟的印刷電路板技術(shù),對(duì)新提出天線陣列和參考天線陣列進(jìn)行了加工,圖10 是新提出天線的實(shí)物圖及散射測(cè)試系統(tǒng)原理圖.利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230C 測(cè)試得到兩種天線陣的端口反射系數(shù),如圖11 所示.與圖2(a)相比,新提出天線和參考天線的工作頻帶都向高頻偏移約200 MHz,這主要是由加工誤差和介質(zhì)參數(shù)偏差引起的,但兩種天線的諧振頻率基本重合,工作頻帶基本一致.在遠(yuǎn)場(chǎng)暗室中,測(cè)試了兩種天線在6.5 GHz 的增益方向圖.從圖12 的結(jié)果中可以看到,參考天線陣和新提出天線陣的增益分別為9.5和9.47 dBi,兩種天線的E面和H面方向圖都較為符合,這些結(jié)果說(shuō)明新提出天線陣的輻射性能和傳統(tǒng)天線陣基本相同.受實(shí)驗(yàn)條件所限,在微波暗室中采用空間波法對(duì)兩種天線的散射場(chǎng)分別進(jìn)行了測(cè)試,如圖10 所示,兩個(gè)工作頻段為1—18 GHz的喇叭天線分別連接在Agilent N5230C 的兩個(gè)端口上,其中一個(gè)作為發(fā)射,另一個(gè)接收經(jīng)待測(cè)天線散射的信號(hào),收發(fā)天線距離待測(cè)天線3 m,且收發(fā)天線的中心都指向待測(cè)天線表面的中心,實(shí)驗(yàn)中,為了減小收發(fā)天線間的耦合,將一塊吸波材料置于收發(fā)天線中間進(jìn)行隔離,并用時(shí)域門技術(shù)抑制多徑效應(yīng).前面的理論分析表明,兩種天線對(duì)y極化波都具有帶內(nèi)隱身的特點(diǎn),因此,實(shí)驗(yàn)中僅測(cè)試了x極化波照射下的散射場(chǎng),并通過(guò)比較,得出新提出天線陣較參考天線陣的RCS 減縮的結(jié)果,如圖13所示,為了便于分析,圖中同時(shí)給出了仿真數(shù)據(jù).可以看出,測(cè)試結(jié)果整體較仿真向高頻偏移160 MHz,導(dǎo)致這種偏差的原因包括加工誤差、介質(zhì)誤差及仿真與實(shí)驗(yàn)方法的偏差等,但總體上看,測(cè)試的RCS趨勢(shì)與減縮量和仿真結(jié)果符合較好.因此,實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)了新提出天線陣的良好性能,也進(jìn)一步證實(shí)了提出方法的有效性.

圖10 新提出天線陣列實(shí)物及散射測(cè)試系統(tǒng)Fig.10.Picture of the proposed antenna array and the scheme of scattering test.

圖11 實(shí)測(cè)天線陣的|S11|曲線Fig.11.Measured |S11| of the proposed antenna array.

圖12 6.5 GHz 實(shí)測(cè)天線陣方向圖 (a) E 面;(b) H 面Fig.12.Measured radiation patterns at 6.5 GHz: (a) E plane;(b) H plane.

圖13 天線陣單站RCS 減縮曲線Fig.13.Monostatic RCS reduction of the proposed antenna array.

5 結(jié)論

為了獲得低雷達(dá)散射截面陣列天線,本文提出了電磁超構(gòu)表面和天線結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的新方法,利用傳輸線把超構(gòu)表面單元相連,并結(jié)合適當(dāng)?shù)酿侂娂夹g(shù)構(gòu)成天線陣列.以二元陣為例,詳細(xì)說(shuō)明了該方法的實(shí)施過(guò)程,闡述了基于該方法設(shè)計(jì)天線的物理工作機(jī)理,數(shù)值分析了陣列的輻射和散射性能,并與傳統(tǒng)微帶陣列進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,傳輸線可以將超構(gòu)表面單元有效激勵(lì),形成良好輻射,以此得到的天線和傳統(tǒng)陣列的輻射性能基本相同.同時(shí),利用超構(gòu)表面與天線其他部分結(jié)構(gòu)對(duì)外來(lái)雷達(dá)波散射性能的不同,新天線還具有工作頻帶內(nèi)低雷達(dá)散射截面的優(yōu)點(diǎn).此外,天線表面電流分布和參數(shù)分析還表明,通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)某瑯?gòu)表面尺寸,可以靈活控制低雷達(dá)散射截面頻段.最后,對(duì)天線進(jìn)行了加工,測(cè)試結(jié)果證實(shí)了該方法簡(jiǎn)單、有效.本文提出的一體化設(shè)計(jì)方法,較好地平衡了天線輻射和低散射的矛盾,且具有結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)用性高、拓展性強(qiáng)的特點(diǎn).