具有RCS減縮效果的超寬帶仿生天線

劉 英 姜 文 龔書喜 洪 濤

(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,陜西 西安710071)

具有RCS減縮效果的超寬帶仿生天線

劉 英 姜 文 龔書喜 洪 濤

(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,陜西 西安710071)

基于仿生學(xué)原理和向日葵模型,研制了一種新型可用于雷達(dá)低可見平臺(tái)的超寬帶單極子天線。利用外邊界為多段圓心角和半徑相同的圓弧、內(nèi)邊界為圓的結(jié)構(gòu)模擬向日葵花的形狀。該仿生結(jié)構(gòu)天線的輻射和散射特性進(jìn)行了分析、優(yōu)化,找出最適合作天線輻射單元的尺寸。并與參考天線作對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在滿足超寬帶天線的相關(guān)指標(biāo)要求下,仿生天線具有良好的RCS減縮效果;適用于對(duì)超寬帶天線有低雷達(dá)截面要求的場合。利用仿生學(xué)減縮天線雷達(dá)截面的方法為天線隱身技術(shù)提供了新的方向。

雷達(dá)截面;單極子天線;仿生學(xué);隱身

1.引 言

隱身技術(shù)是一種涉及多學(xué)科的綜合技術(shù),其目的是控制目標(biāo)特征信號(hào)使發(fā)現(xiàn)和攻擊低可見平臺(tái)變得困難。雷達(dá)截面(RCS)是雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、隱身和反隱身技術(shù)中表征目標(biāo)可被識(shí)別特性的一個(gè)基本參數(shù),是目標(biāo)體在平面波照射下返回功率的一種量度。減縮雷達(dá)截面就是控制和降低軍用目標(biāo)的雷達(dá)特征,降低敵方電子探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力和武器平臺(tái)的戰(zhàn)斗效力,從而提高己方軍用目標(biāo)的突防能力和戰(zhàn)場生存能力。目前減小RCS的技術(shù)大致包括如下四個(gè)基本方法,即外形隱身技術(shù)、雷達(dá)吸波材料涂覆技術(shù)、無源對(duì)消技術(shù)和有源對(duì)消技術(shù)。其中最常應(yīng)用且最有效的是前兩種。通過改變目標(biāo)外形和使用雷達(dá)吸波材料這兩種方法可以有效地減小軍事平臺(tái)的雷達(dá)截面,提高隱身性能。但是對(duì)于雷達(dá)低可見平臺(tái),平臺(tái)上的天線對(duì)其總RCS貢獻(xiàn)非常大,因此,必須對(duì)天線RCS進(jìn)行控制。同時(shí)具有較好的輻射特性與散射特性是設(shè)計(jì)隱身天線的原則。但是天線系統(tǒng)自身的工作特點(diǎn)是必須首先保證自身雷達(dá)波的正常發(fā)射和接收,因此,低RCS外形設(shè)計(jì)技術(shù)、雷達(dá)吸波材料技術(shù)等常規(guī)的隱身措施不能簡單地成功應(yīng)用于天線隱身。以上原因使得天線系統(tǒng)的隱身成為當(dāng)今隱身技術(shù)中一項(xiàng)難以解決的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)外均沒有找到一種完全理想的技術(shù)方法可以同時(shí)既顯著地降低天線RCS又完全不影響天線的正常工作。這就使得尋求新的降低天線RCS方法變得更加迫切[1-3]。

與普通散射體不同的是天線散射通常包括結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射場和天線模式項(xiàng)散射場兩部分。天線的結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射場與發(fā)射機(jī)負(fù)載情況無關(guān),可認(rèn)為是接匹配負(fù)載時(shí)的散射場;天線模式項(xiàng)散射場是由于傳輸線與發(fā)射機(jī)不匹配而造成的反射功率二次輻射而產(chǎn)生的散射場,它隨天線的負(fù)載情況而變化,是天線與普通散射體不同而特有的[4]。

在天線的散射理論研究方面,文獻(xiàn)[4]提出了一套系統(tǒng)的天線分析理論。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[5]進(jìn)一步提出了分析超寬帶天線散射問題的理論和試驗(yàn)方法。天線RCS減縮所面臨的最大問題就是在天線輻射性能與散射性能兩方面的兼顧,要求雷達(dá)天線只輻射和接收我方雷達(dá)波,不反射和散射敵方雷達(dá)波,這是實(shí)際中很難解決的一對(duì)矛盾。隱身技術(shù)不是單一技術(shù),而應(yīng)是各種技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用。由于常規(guī)的隱身措施不能簡單地應(yīng)用于天線隱身,所以,除了前述的設(shè)計(jì)思路外,還需要探索新的理念來豐富隱身技術(shù)。試驗(yàn)證明,海鷗雖然與燕八哥的形體大小相近,但海鷗的雷達(dá)截面比燕八哥的大200倍。蜜蜂的體積小于麻雀,但它的雷達(dá)截面比麻雀大16倍[1]。仿生概念已經(jīng)成功應(yīng)用于很多領(lǐng)域,天線的隱身必然也可應(yīng)用仿生技術(shù)尋求新的設(shè)計(jì)方案。利用向日葵花的仿生模型設(shè)計(jì)超寬帶天線,以此為例說明仿生學(xué)在天線隱身技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

國內(nèi)外關(guān)于超寬帶天線RCS減縮的文獻(xiàn)并不多見。文獻(xiàn)[6]給出了一種超寬帶平面單極子天線,天線的輻射單元和輻射地板分別印制在介質(zhì)板的兩側(cè),實(shí)現(xiàn)了天線平面化。該天線因出色的輻射特性而被廣泛應(yīng)用,但是圓形的輻射單元使其天線雷達(dá)散射截面很高,不利于天線的隱身,仿生學(xué)輻射單元?jiǎng)t可有效地解決這一問題。

2.天線設(shè)計(jì)

超寬帶仿生天線包括輻射單元、輻射地板、50 Ω微帶饋電線和介質(zhì)材料板四部分。天線輻射單元和天線輻射地板分別印制在介質(zhì)材料板的兩側(cè),介質(zhì)材料板的尺寸為50 mm×42 mm,介電常數(shù)為

4.4,厚度為0.8 mm.輻射單元具有由多段半徑和圓心角相同的圓弧組成的外邊界和圓形內(nèi)邊界。外圓弧半徑為8 mm,內(nèi)圓半徑為8.5 mm.天線的輻射地板為兩邊倒有90度圓弧角的矩形,矩形的長度與介質(zhì)材料板的寬度相等,為42 mm,矩形的寬度為16 mm.饋電線寬度為1.56 mm.

以超寬阻抗帶寬為目的,對(duì)外邊界圓弧的個(gè)數(shù)、圓心角和半徑以及內(nèi)邊界圓的半徑進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)結(jié)果,并以該結(jié)果設(shè)計(jì)超寬帶天線。仿生天線和參考天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為了說明仿生天線輻射單元結(jié)構(gòu)在RCS減縮方面的優(yōu)越性,設(shè)計(jì)兩天線的輻射地板和介質(zhì)材料板為完全相同。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過印制板技術(shù)加工兩天線的天線樣機(jī)。圖2 -3分別給出兩天線VSWR的仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果,測(cè)試采用AgilentE8361網(wǎng)絡(luò)分析儀。從圖中可以看出計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合良好。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在 VSWR小于 2.0時(shí),仿生天線具有2.0～ 20.0 GHz的帶寬,參考天線具有2.3～14.0 GHz的帶寬,均充分覆蓋了UWB所要求的3.1～10.6 GHz帶寬。

圖4、5分別給出仿生天線在低頻(3.0 GHz)和高頻(9.0 GHz)的E面(x-y面)和H面(y-z面)輻射方向圖,計(jì)算和測(cè)量結(jié)果吻合良好。圖6給出了兩天線離散頻率點(diǎn)的實(shí)測(cè)增益。以上結(jié)果表明仿生天線可被視為平面單極子天線,其最大輻射方向垂直于x軸,且在整個(gè)UWB帶寬內(nèi)具有良好的全向性,可較好地用于超寬帶系統(tǒng)[7-8]。

圖7-8分別給出了仿生天線和參考天線端接開路負(fù)載、短路負(fù)載時(shí)的RCS隨頻率變化的曲線圖。利用這兩種狀態(tài)可求解天線端接任意負(fù)載時(shí)的天線RCS。超寬帶天線具有很寬的阻抗帶寬,在此計(jì)算出兩天線端接50 Ω阻抗時(shí)的天線RCS,如圖9所示。全文提到的RCS均指的是單站RCS;平面波的入射方向?yàn)?z軸方向,即天線的最大輻射方向;極化方式為垂直極化,即電場矢量方向平行于x軸。從圖7、8可看出,與窄帶天線不同,超寬帶天線的RCS在整個(gè)頻帶內(nèi)沒有哪一種狀態(tài)可以一直保持最大或者最小。這種現(xiàn)象的原因可解釋為與窄帶天線相比,超寬帶天線所要考慮的頻帶更寬,天線的結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)RCS和天線模式項(xiàng)RCS之間的相位差變化更大。

從圖9中可看出仿生天線在很寬頻帶內(nèi)的RCS均小于參考天線。這種現(xiàn)象可解釋為仿生天線輻射單元的面積小于參考天線的圓形輻射單元。與傳統(tǒng)的圓形輻射單元結(jié)構(gòu)相比,仿生輻射單元結(jié)構(gòu)同時(shí)具有良好的輻射特性和低RCS特性,解決了以往減縮方法難以在整個(gè)超寬頻帶內(nèi)均達(dá)到良好效果的問題。

圖9 仿生天線與參考天線RCS對(duì)比圖

4.結(jié) 論

基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了一種低雷達(dá)截面的超寬帶仿生天線。利用外邊界為多個(gè)半徑和圓心角相同的圓弧,內(nèi)邊界為圓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天線輻射單元。利用兩邊倒有90度圓弧角的矩形設(shè)計(jì)輻射地板,從而使天線同時(shí)具有2.0～20.0 GHz超寬頻帶和低雷達(dá)截面特性。仿生輻射單元結(jié)構(gòu)有利于天線同時(shí)實(shí)現(xiàn)超寬帶特性和低雷達(dá)截面特性,適用于對(duì)超寬帶天線有低雷達(dá)截面要求的場合。將仿生學(xué)應(yīng)用于天線隱身技術(shù)的方法為今后設(shè)計(jì)對(duì)雷達(dá)截面有要求的天線系統(tǒng)提供了新的思路。

[1] KNOTT E F,SHAEFFER J F.Radar Cross Section [M].2nd Edition,NC:SciTech,2004:63-64.

[2] 劉 英,龔書喜,傅德民.高溫超導(dǎo)天線在天線RCS減縮中的應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2004,19(3):286-289. LIU Ying,GONG Shuxi,Fu Demin.Application of high-temperature superconducting antenna in RCS reduction[J].Chinese Journal of Radio Science,2004, 19(3):286-289.(in Chinese)

[3] JIANG Wen,GONG Shuxi,LI Yan-ping.A novel low RCS mobius-band monopole antenna[J].Journal of E-lectromagnetic Waves and Applications,2009,23: 1887-1895.

[4] GREEN R B.The General Theory of Antenna Scattering[D].Ohio:Antenna Laboratory,Ohio State Un-i versity,1963.

[5] HU S,CHEN H,LAW C L.Backscattering cross section of Ultrawideband antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter,2007,6:70-73.

[6] LIANG J,CHIAU C C,AND CHEN X-D.Study of a printed circular disc monopole antenna for UWB systems[J].IEEE T rans on Antennas and Propagations, 2005,35:3500-3504.

[7] 孫思揚(yáng),林 欣,高攸綱,等.一種可展寬頻帶的微帶貼片天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(2):307-310. SUN Siyang,LIN Xin,GAO Yougang,et al.Design of a wideband microstrip patch antenna[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(2):307-310.(in Chinese)

[8] 張文梅,陳 雪,韓國瑞,等.平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(2):335-339. ZHANG Wenmei,CHEN Xue,HAN Guorui,et al. Design of planar UWB antennas[J].Chinese Journalof Radio Science,2008,23(2):335-339.(in Ch-i nese)

Bionic antenna with reduced RCS for ultra-wideband application

LIU Ying JIANG Wen GONG Shu-xi HONG Tao
(K ey Lab.of A ntennas and Microwave Technology,Xidian University, Xi'an Shaanxi 710071,China)

Based on bionics principle and the model of sunflower,a novel ultrawideband monopole antenna with low radar cross section(RCS)is presented for low-observable platforms.The bionic element has an outer boundary composed of several arcs of uniform radius and central angel and a circular inner boundary, which simulates the structure of sunflower.Simulation analysis for bionic structure is conducted and the optimized structure is obtained for antenna element.T he rad-i ating element of the proposed antenna is designed by using the model of sunflower. Radiation and scattering characteristics of the proposed antenna are studied and compared to those of a reference antenna.T he results show that the bionic antenna has favorable UWB-related performances and lower RCS than the reference antenna.The proposed antenna serves as good candidate for the future design of UWB antennas with requirement of RCS control.T he method of applying bionics to antenna RCS reduction charts a novel direction for antenna stealth.

RCS;monopole antennas;bionics;stealth

龔書喜 (1957-),男,河北人,西安電子科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,博士。研究方向?yàn)?電磁理論、電磁輻射、電磁散射與隱身技術(shù)等。

TN821.8

A

1005-0388(2010)03-0548-05

劉 英 (1977-),女,河南人,西安電子科技大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,博士。主要研究方向?yàn)?天線理論與設(shè)計(jì),電磁散射與隱身技術(shù)。

姜 文 (1985-),男,山東人,西安電子科技大學(xué)博士生。主要研究方向?yàn)?寬帶天線設(shè)計(jì)、電磁散射與隱身技術(shù)。

2009-09-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60801042)

聯(lián)系人:姜文E-mail:jw13@vip.qq.com