小型化低雷達(dá)散射截面圓極化微帶天線研究

姜 文 張 揚(yáng) 洪 濤 鄧兆斌

(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)

引 言

為適應(yīng)未來的高科技綜合電子戰(zhàn)，隱身技術(shù)得到了大量的應(yīng)用，并得到世界上越來越多國(guó)家的重視．對(duì)于低可見平臺(tái)而言，對(duì)其總雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)貢獻(xiàn)較大的卻是平臺(tái)上的天線．天線系統(tǒng)是發(fā)射和接收電磁波的關(guān)鍵設(shè)備，它必須保證雷達(dá)波的正常接收和發(fā)射，因此常規(guī)的隱身措施(如低RCS外形設(shè)計(jì)、雷達(dá)吸波材料技術(shù)等)無法簡(jiǎn)單地應(yīng)用于天線系統(tǒng)的隱身中，這就使天線系統(tǒng)的隱身成為隱身技術(shù)中難以解決的關(guān)鍵問題之一[1-3].

圓極化天線可接收任意極化的來波，且發(fā)射的電磁波也可由任意極化天線接收.因此，圓極化天線被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、GPS和雷達(dá)系統(tǒng)中[4].為了提高圓極化天線系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存率，必須對(duì)其進(jìn)行隱身處理.以往的天線隱身技術(shù)主要針對(duì)線極化天線，對(duì)圓極化天線散射特性的分析與控制研究為數(shù)不多[5-7]，在保證輻射特性的同時(shí)減縮圓極化天線的RCS具有重要意義.通過研究天線散射的基本理論，提出了一種改進(jìn)的小型化低RCS圓極化微帶天線，實(shí)現(xiàn)了圓極化天線的小型化和低RCS特性.給出了圓極化天線散射控制技術(shù)的技術(shù)途徑，對(duì)射頻識(shí)別、隱身等對(duì)天線散射特性有特定要求的問題具有指導(dǎo)意義.

1 天線散射理論分析

天線的散射包含天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射和天線模式項(xiàng)散射場(chǎng)兩部分.天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射場(chǎng)與散射天線的負(fù)載情況無關(guān)，與普通散射體的散射機(jī)理相同.天線模式項(xiàng)散射場(chǎng)則隨天線負(fù)載情況而變化，它是由于天線失配而反射的功率經(jīng)天線再輻射而產(chǎn)生的散射場(chǎng)，這也是天線與其他普通散射場(chǎng)不同而特有的.

天線散射的物理模型如圖1所示，該模型包含探測(cè)天線、被測(cè)天線和接收天線三部分[8].令探測(cè)天線，被測(cè)天線和接收天線的單位極化矢量分別為u，v,U.

圖1 天線散射的物理模型

天線散射場(chǎng)的基礎(chǔ)理論公式可表示為

(1)

結(jié)合天線輻射接收理論可知:

(2)

(3)

A(k)=|A(k)|U.

(4)

(5)

考慮到接收天線的極化方式為v，將散射場(chǎng)進(jìn)行處理后,有

ES=ES(Zl)·v*=ES(ZC)·v*+

(6)

考慮單站情況k2=k1=k，u=v，并定義

(7)

(8)

式中：p為天線的極化效率；G1(k)為天饋系統(tǒng)的增益；G2(k)為天線增益，式(6)進(jìn)一步化為

ES=ES(Zl)·u*=ES(ZC)·u*+

(9)

式(9)同時(shí)將探測(cè)天線(入射平面波)、被探測(cè)天線和接收天線(散射場(chǎng))的極化方式、極化效率、天線方向圖等參量考慮進(jìn)天線散射理論中，這一點(diǎn)對(duì)于圓極化天線的散射分析與控制至關(guān)重要．

根據(jù)式(9)可分析和計(jì)算出圓極化天線的散射特性并得到天線散射控制思路：1)控制天線極化效率p；2)控制天饋系統(tǒng)增益方向圖與天線增益方向圖；3)控制接收機(jī)負(fù)載的反射；4)控制由天線外形結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射ES(ZC) ．

重點(diǎn)研究控制思路4，并對(duì)圓極化天線的RCS進(jìn)行減縮，在分析天線輻射單元和輻射地板上的表面電流分布后，通過在天線地板上添加圓形和矩形結(jié)構(gòu)，令參考天線在保持電性能指標(biāo)不變的前提下實(shí)現(xiàn)天線的RCS減縮．

2 天線設(shè)計(jì)

圖2(a)給出了一種常見的雙饋圓極化微帶天線，該天線因具有穩(wěn)定和優(yōu)異的圓極化特性而被廣泛使用．但是此天線由于其輻射單元和輻射地板的金屬覆蓋面積占天線總表面積的比例大，所以總RCS很大，需要進(jìn)一步處理．下面基于天線的表面電流分布，對(duì)該天線地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并將其作為參考天線．如圖2(b)所示，首先在參考天線的地板上刻12個(gè)圓形槽形成天線2．如圖2(c)所示，為進(jìn)一步改善天線的輻射性能，在12個(gè)圓形槽中心刻交叉十字槽線形成天線3．

(a) 天線1 (b) 天線2

(c) 天線3圖2 天線結(jié)構(gòu)圖

天線1～3的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，輻射單元和輻射地板印制在介質(zhì)板的兩側(cè)，采用雙饋方式饋電(右旋圓極化方式)，參考天線和設(shè)計(jì)天線均印制在厚度為1.6 mm，介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)板上．通過印制板技術(shù)加工兩天線的天線樣機(jī)，實(shí)物如圖3所示．

(a) 正面

(b) 反面圖3 天線實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4分別給出三天線S11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．由于天線的對(duì)稱性，S22可被忽略．從圖4中可以看出計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合良好．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在|S11|<-10 dB 時(shí)，天線1～3的帶寬仿真結(jié)果分別為1.551～1.60 GHz、1.556～1.595 GHz、1.55～1.60 GHz；實(shí)測(cè)結(jié)果分別為1.557～1.59 GHz、1.551～1.596 GHz、1.551～1.59 GHz，中心頻率均為1.575 GHz．

圖4 天線|S11| 對(duì)比圖

圖5給出了天線1～3工作在1.575 GHz頻率下，x-z面和y-z面的增益方向圖(單位：dBi)．從圖5可看出設(shè)計(jì)的天線2和天線3與參考天線1相比，具有相似的方向圖特性．

(a) 天線1

(b) 天線2

(c) 天線3圖5 天線方向圖對(duì)比

除此之外，為了更清晰地說明設(shè)計(jì)天線在輻射特性方面的改善效果，表1將天線的增益、帶寬、尺寸、軸比等電參數(shù)一一列出．從表1中可以看出天線2～3相比天線1具有明顯的尺寸減小效果，天線3相比天線2具有明顯的增益和帶寬改善效果．

表1 三天線性能對(duì)比表

從表1還可以看出天線2和天線3具有更好的小型化效果．然而，以往的研究成果表明小型化并不意味低RCS，尤其是在較低頻率段[9]，因此繼續(xù)對(duì)三天線的RCS進(jìn)行仿真和比較．

圖6給出了參考天線與設(shè)計(jì)天線在2.0～18.0 GHz入射波照射下的單站RCS．入射波方向分別為(θ=0°,φ=0° )、(θ=30°,φ=0°)、(θ=60°,φ=0° )．從圖6可以看出，小角度入射波照射下設(shè)計(jì)天線在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的天線RCS均小于參考天線，具有良好的RCS減縮效果．然而對(duì)于大角度入射波照射情況下，設(shè)計(jì)天線的RCS在部分頻帶范圍內(nèi)高于參考天線，部分頻帶范圍內(nèi)低于參考天線(說明小型化并不一定意味著低RCS)，但總的來說設(shè)計(jì)天線比參考天線具有明顯的低RCS優(yōu)勢(shì)．

(a) θ=0°,φ=0°

(b) θ=30°,φ=0°

(c) θ=60°,φ=0° 圖6 三天線RCS對(duì)比曲線圖

4 結(jié) 論

基于一種參考天線，設(shè)計(jì)了小型化低RCS圓極化微帶天線．該天線主要在參考天線的地板上通過刻圓形及十字交叉形槽線實(shí)現(xiàn)天線的小型化和低RCS．通過對(duì)設(shè)計(jì)天線的仿真和測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與參考天線相比設(shè)計(jì)天線具有更低的雷達(dá)截面，利于天線系統(tǒng)的隱身；與此同時(shí)具有更小的尺寸，利于天線系統(tǒng)的集成．同時(shí)，在考慮天線極化的前提下，分析了天線散射的基本理論，為圓極化天線雷達(dá)截面分析與減縮技術(shù)打下了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．

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