一種基于可重構(gòu)機(jī)理的微帶天線RCS縮減技術(shù)

官正濤，何海丹，何慶強(qiáng)

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

微帶天線以其重量輕、輪廓低、易于制造，且容易與飛行器表面共形等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于空天飛行器上，甚至在可預(yù)期的未來(lái)發(fā)展成智能蒙皮天線之一.但是，作為一種飛行器電磁波傳感系統(tǒng)，蒙皮微帶天線必須保證能發(fā)射和接收己方電磁波而不易被對(duì)方探測(cè)到，并盡可能少地散射對(duì)方雷達(dá)波.這是一對(duì)很難解決的矛盾.在這種條件下，僅僅依靠傳統(tǒng)微帶天線設(shè)計(jì)輻射性能，并輔助采用傳統(tǒng)的小型化，有源/無(wú)源加載，開(kāi)槽、分形、結(jié)構(gòu)修形，局部增加吸波材料等隱身手段已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)良好的蒙皮微帶天線輻射/隱身的雙重目標(biāo)［1－3］.一個(gè)蒙皮微帶天線系統(tǒng)要能夠在全時(shí)域/全空域/全頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)低雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)是難以實(shí)現(xiàn)的.對(duì)此，采用可重構(gòu)技術(shù)，通過(guò)內(nèi)嵌集成開(kāi)關(guān)加載陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)按需實(shí)時(shí)地重構(gòu)天線的時(shí)域/空域/頻域的輻射和散射特性將是主要的研究方向.這樣可以使天線動(dòng)態(tài)地保持低RCS，并且在天線工作時(shí)不影響天線的輻射特性.可重構(gòu)天線技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵依賴于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electromechanical System，MEMS)技術(shù)的成熟.MEMS 開(kāi)關(guān)具有體積小，在超寬頻帶范圍內(nèi)有低導(dǎo)通插損，高斷開(kāi)隔離度，低寄生電容等優(yōu)良的射頻性能［4－6］.將MEMS 開(kāi)關(guān)集成在特定結(jié)構(gòu)的天線口徑中，構(gòu)成準(zhǔn)“通用”口徑，通過(guò)軟、硬件結(jié)合的方式調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)組的工作狀態(tài)，就可以達(dá)到改變天線的電結(jié)構(gòu)，影響其電流分布，并獲得不同用途天線特性的目的.微帶天線常規(guī)的RCS 縮減可以采用在微帶貼片上開(kāi)槽或縫，地板上開(kāi)槽或縫等技術(shù)實(shí)現(xiàn).如果能夠?qū)崟r(shí)地改變微帶天線口徑中的微帶邊緣、開(kāi)路端、槽、縫的形狀和位置，也就可以獲得不同效果的天線特性，包括帶內(nèi)輻射特性和帶內(nèi)/帶外的散射特性.

本研究在傳統(tǒng)微帶天線RCS 縮減技術(shù)結(jié)合可重構(gòu)天線技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于可重構(gòu)機(jī)理的微帶天線RCS 縮減技術(shù).該可重構(gòu)微帶天線的微帶貼片和地板全部碎片化，并通過(guò)MEMS 開(kāi)關(guān)連接，MEMS 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，微帶天線能正常輻射，MEMS 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或斷開(kāi)時(shí)，RCS 都有較明顯的縮減，同時(shí)，通過(guò)引入開(kāi)關(guān)陣列，使可重構(gòu)微帶天線能動(dòng)態(tài)地保持優(yōu)良的輻射和散射特性，本研究在低RCS 智能蒙皮天線方面具有較大的研究潛力.

1 微帶天線設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)微帶天線設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)的微帶天線的模型如圖1 所示.

圖1 傳統(tǒng)微帶天線模型圖

該天線模型的諧振頻率為2.5 GHz，貼片尺寸為48.6 mm×34.7 mm，接地板尺寸為70 mm ×51 mm.采用同軸線背向饋電，饋電點(diǎn)距接地板中心點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn))7.3 mm.襯底材料厚2 mm，介電常數(shù)為2.65.

1.2 可重構(gòu)微帶天線設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的可重構(gòu)微帶天線模型如圖2、3 所示.

圖2 可重構(gòu)微帶天線MEMS 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通模型圖

圖3 可重構(gòu)微帶天線MEMS 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)模型圖

可重構(gòu)微帶天線的貼片和地板由均勻碎片元陣組成，在相鄰碎片元之間用開(kāi)關(guān)連接.天線諧振頻率2.5 GHz，貼片尺寸為35.9 mm ×25.7 mm，接地板尺寸為56 mm×41 mm.采用同軸線背向饋電，饋電點(diǎn)距接地板中心點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn))7.3 mm.微帶襯底的厚度為2 mm，介電常數(shù)為2.65.微帶碎片元的大小為4.4 mm×3 mm，接地板碎片元的大小為7.3 mm×5.1 mm，開(kāi)關(guān)的面積為0.4 mm×0.8 mm.開(kāi)關(guān)尺寸大小與實(shí)際的MEMS 開(kāi)關(guān)相當(dāng).

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為獲得傳統(tǒng)微帶天線和可重構(gòu)微帶天線的輻射和散射特性，本研究采用FEKO 軟件完成天線建模與仿真計(jì)算.由于MEMS 開(kāi)關(guān)具有優(yōu)良的射頻特性，本研究對(duì)開(kāi)關(guān)做如下處理:當(dāng)開(kāi)關(guān)連通時(shí)用同尺寸的一小金屬片連通來(lái)模擬，而當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)去掉該金屬片.有研究發(fā)現(xiàn)，采用這種理想開(kāi)關(guān)模型的仿真結(jié)果與實(shí)際使用開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好［6］.

1)在仿真實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)微帶天線的輻射特性由圖1 模型進(jìn)行計(jì)算，可重構(gòu)微帶天線的輻射特性由圖2、3 模型進(jìn)行計(jì)算，表1 給出傳統(tǒng)微帶天線與可重構(gòu)微帶天線的輻射特性及幾何尺寸計(jì)算結(jié)果.

表1 傳統(tǒng)微帶天線與可重構(gòu)微帶天線的輻射特性比較

由表1 可見(jiàn)，可重構(gòu)微帶天線在2.5 GHz 頻率時(shí)的的反射系數(shù)為－10 dB，具有良好的輻射特性.其天線增益為5.2 dBi，相比傳統(tǒng)微帶天線的7.2 dBi 增益，可重構(gòu)微帶天線的增益降低了2 dB，這主要是由于天線口徑變小，天線波束寬度變寬的緣故.

2)在仿真實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)微帶天線的散射特性由圖1模型進(jìn)行計(jì)算，可重構(gòu)微帶天線MEMS 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)的散射特性由圖2 模型進(jìn)行計(jì)算，可重構(gòu)微帶天線MEMS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)的散射特性由圖3 模型進(jìn)行計(jì)算.同時(shí)，為了便于比較，可重構(gòu)微帶天線的散射特性計(jì)算頻點(diǎn)、考察剖面、極化形式都與傳統(tǒng)微帶天線的相同，即選取帶內(nèi)工作頻點(diǎn)2.5 GHz 及帶外L/S/C/X/Ku 頻段典型頻點(diǎn)2、4、5.6、10、12 GHz，在天線H 面上(y-z 面)±90 °范圍內(nèi)，考察可重構(gòu)微帶天線phi-phi 極化和theta-theta 極化的單站RCS.

表2 給出了傳統(tǒng)微帶天線與可重構(gòu)微帶天線的散射特性的計(jì)算結(jié)果.

表2 傳統(tǒng)微帶天線與可重構(gòu)微帶天線的散射特性比較

由表2 可見(jiàn)，可重構(gòu)微帶天線的散射特性較傳統(tǒng)微帶天線有明顯優(yōu)勢(shì)，在帶內(nèi)和帶外的不同頻段，單站RCS峰值都有明顯下降.在C 頻段及以下頻段，當(dāng)可重構(gòu)微帶天線全部MEMS 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，單站RCS 峰值改善較全部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)更大，其中，在L 頻段的典型頻點(diǎn)的phiphi 極化改善最大，單站RCS 峰值改善20 dB.在X 頻段及以上頻段，當(dāng)可重構(gòu)微帶天線全部MEMS 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，單站RCS 峰值改善較全開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)更大，其中，在Ku 頻段的典型頻點(diǎn)的phi-phi 極化改善最大，單站RCS 峰值改善15.6 dB.

此外，對(duì)任意極化和頻點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，微帶天線的RCS 峰值平均為－11.4 dBsm，可重構(gòu)微帶天線MEMS 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)的RCS 峰值平均為－17.2 dBsm，MEMS 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)的RCS 峰值平均為－16.4 dBsm.由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)微帶天線相比，在觀測(cè)頻帶內(nèi)，可重構(gòu)微帶天線RCS 峰值平均縮減5.8 dB.

3 結(jié) 論

在傳統(tǒng)微帶天線RCS 縮減技術(shù)結(jié)合可重構(gòu)天線技術(shù)的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種基于可重構(gòu)機(jī)理的微帶天線RCS 縮減技術(shù).該可重構(gòu)微帶天線的微帶貼片和地板全部碎片化，并通過(guò)MEMS 開(kāi)關(guān)陣列連接.通過(guò)引入開(kāi)關(guān)陣列，該可重構(gòu)微帶天線能動(dòng)態(tài)地保持優(yōu)良的輻射和散射特性，其在低RCS 智能蒙皮天線方面具有較大的研究潛力.

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