應(yīng)用天線二次輻射對(duì)消縮減天線RCS* 1

任志剛

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

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應(yīng)用天線二次輻射對(duì)消縮減天線RCS* 1

任志剛

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

摘要：天線雷達(dá)散射截面的縮減(RCS,Radar Cross Section)在軍事應(yīng)用中日益重要，隨著隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，天線雷達(dá)散射截面的縮減成為實(shí)現(xiàn)低散射平臺(tái)電磁隱身特性的關(guān)鍵。非陣列天線的單站散射除結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射外，還包括天線作為接收裝置截獲入射能量并將其發(fā)射出去而引起的二次輻射，即天線模式項(xiàng)散射，當(dāng)前模式項(xiàng)散射主要通過(guò)匹配負(fù)載的方式進(jìn)行縮減而未較好的對(duì)其進(jìn)行利用。通過(guò)對(duì)天線模式項(xiàng)散射及天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射的分析及討論，通過(guò)端接負(fù)載控制天線模式項(xiàng)散射與天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)進(jìn)行的對(duì)消，提出一種利用天線二次輻射對(duì)消縮減天線RCS的方法。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)散射截面RCS；模式項(xiàng)散射；結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射；二次輻射對(duì)消

0引言

21世紀(jì)隱身技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，世界各國(guó)都及其重視隱身武器研究和應(yīng)用[1-2]。隨著隱身技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器以及艦艇等武器平臺(tái)自身的RCS得到了很好的縮減，與以前相比下降了1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)新技術(shù)如FSS結(jié)構(gòu)、吸波材料等隱身新技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用，使飛行器等隱身目標(biāo)自身的RCS已經(jīng)非常小，因而其RCS的主要貢獻(xiàn)來(lái)源于飛行器、艦艇等武器平臺(tái)上的天線系統(tǒng)，當(dāng)前，戰(zhàn)斗機(jī)、艦艇等武器平臺(tái)上的天線系統(tǒng)數(shù)量已達(dá)數(shù)十乃至上百部，因此，低RCS天線技術(shù)是保障武器平臺(tái)目標(biāo)隱身性能的重要手段。

天線的散射較一般目標(biāo)的散射更為復(fù)雜，其分析手段通常采用矩量法或有限元法[3]等數(shù)值方法。非陣列天線不但具有一般散射體的鏡面反射、邊緣繞射等結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射，還有天線作為接收裝置截獲空間入射電磁波能量并將其二次輻射出去而引起的模式項(xiàng)散射[4-7]。天線作為電磁波發(fā)射和接收裝置的特點(diǎn)，使其散射特性尤為復(fù)雜。

本文從天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射及天線模式項(xiàng)散射出發(fā)，分析了非陣列天線單站散射的特點(diǎn)，并針對(duì)天線帶內(nèi)散射特點(diǎn)，提出在一定角域內(nèi)利用天線二次輻射進(jìn)行對(duì)消的方法縮減天線的RCS。

1天線系統(tǒng)散射分析

從散射角度上講，天線RCS[1-2]可折分為天線單元的結(jié)構(gòu)項(xiàng)(σs)和模式項(xiàng)(σa)，其表達(dá)式如下：

(1)

ψ表示天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)及模式項(xiàng)散射場(chǎng)之間的相對(duì)相位差。

天線散射主要由其本身的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射及模式項(xiàng)散射構(gòu)成。天線模式項(xiàng)散射又主要與天線的輻射方向圖、端口負(fù)載、極化匹配等參數(shù)有關(guān)，天線單元的模式項(xiàng)的單站RCS計(jì)算公式為：

σa=G2μ2Γ2λ2/4π

(2)

KahnandKurss[3]用散射矩陣描述了接收天線端接負(fù)載接收到的能量及天線散射能量之間的關(guān)系。Hansen[5]對(duì)廣義散射矩陣?yán)碚撨M(jìn)行了梳理，對(duì)天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射與模式項(xiàng)散射進(jìn)行了重新定義。

為了分析方便，沿用KahnandKurss[4]中的散射矩陣定義, 當(dāng)定義天線為無(wú)耗時(shí)，可以表示如下。

(3)

bα=Sαα·?！α+Sαβ·aβ

(4)

(5)

若設(shè)天線口徑效率為ξ，定性考慮天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)與模式項(xiàng)之間的關(guān)系，式(5)可重寫(xiě)為：

(6)

式(6)表述了天線口徑效率越好，天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射將逐漸消失，天線接收到的全部能量部分被端口吸收，部分通過(guò)模式項(xiàng)散射二次輻射到空間；當(dāng)天線效率越差時(shí)，天線輻射能力變小，逐漸退化為普通結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射。即天線只在帶內(nèi)表現(xiàn)出模式項(xiàng)散射，而帶外只有結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射。

2應(yīng)用二次輻射對(duì)消天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)

對(duì)于普通的天線，其口徑效率一般均小于1，即使通過(guò)阻抗匹配，仍有部分結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射無(wú)法消除。然而，通過(guò)對(duì)天線端口阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以使得天線模式項(xiàng)散射與結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射幅度相同、相位相反，完成在特定觀察角度上模式項(xiàng)散射與結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射的對(duì)消，大幅度降低天線在該角度上的后向散射。

為了完成模式項(xiàng)與結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射的對(duì)消，首先對(duì)天線單元的結(jié)構(gòu)項(xiàng)及模式項(xiàng)進(jìn)行分離提取[5]進(jìn)行介紹，考慮如圖1所示的天線模型。

圖1　天線散射模型

針對(duì)圖1所示天線散射模型，首先，在饋電傳輸線的單模傳輸區(qū)選擇參考面Sa，令Sa短路。這樣，天線端接負(fù)載Zl=0，負(fù)載反射系數(shù)Γl=(Zl-Zc)/(Zl+Zc)=-1。此時(shí)，可將天線的散射總場(chǎng)寫(xiě)為：

(7)

然后，令參考面Sa開(kāi)路，即Zl=，Γl=1。此時(shí)，天線總的散射場(chǎng)為：

(8)

聯(lián)合求解式(7)和式(8)，可得到：

(9)

得到結(jié)構(gòu)項(xiàng)與模式項(xiàng)的表達(dá)式后，通過(guò)聯(lián)立上述方程，令其幅度相等，相位相反，可以得到需要的反射系數(shù)，從而得到端接負(fù)載的參數(shù)值。

(10)

由式(10)可以得到使得不同單站RCS考察角度散射值最小時(shí)，天線端口需要加載的阻抗值。

(11)

為了達(dá)到在一定角域內(nèi)RCS均值較小，對(duì)于Theta進(jìn)行優(yōu)化，以正負(fù)40°角域內(nèi)天線RCS均值為縮減目標(biāo)，選取入射角15°進(jìn)行對(duì)消，得到了較好的縮減效果。

3數(shù)值算例

為了驗(yàn)證上述方法，這里給出微帶天線模式項(xiàng)RCS的提取。所給矩形微帶天線的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，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。該天線激勵(lì)Y極化電磁波，故對(duì)于X極化其口徑效率為0。由第2節(jié)分析可知，該天線只能利用天線二次輻射對(duì)消技術(shù)對(duì)天線Y極化RCS進(jìn)行縮減。

圖2　微帶天線模型

為獲得天線的輻射場(chǎng)與開(kāi)路短路加載時(shí)的散射場(chǎng)，這里采用Feko軟件完成計(jì)算。圖3給出了天線的反射系數(shù)，可以看出該貼片單元諧振在2.44 GHz。

圖3　反射系數(shù)

圖4給出該微帶天線在E面及H面的增益結(jié)果。圖5給出該微帶天線空間方向圖。

圖4　E面及H面增益

圖5　增益

由式(2)，針對(duì)H面通過(guò)天線增益計(jì)算得到的天線模式項(xiàng)如圖6所示。

圖6　由增益計(jì)算的模式項(xiàng)RCS曲線

通過(guò)式(5)計(jì)算得到的天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS及模式項(xiàng)RCS如圖7所示。此時(shí)，Theta角度正負(fù)40度內(nèi)RCS的均值為-30.26 dB。從上式可以看出，天線模式項(xiàng)散射在Theta角度正負(fù)40°以內(nèi)大于結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射，所以在Theta角度正負(fù)40°以內(nèi)均可以應(yīng)用天線的二次輻射對(duì)消技術(shù)對(duì)天線RCS進(jìn)行縮減。

圖7　由式(9)計(jì)算的結(jié)構(gòu)項(xiàng)及模式項(xiàng)RCS

通過(guò)式(6)得到天線法向及15°散射最小時(shí)端口需要加載的阻抗值，利用FEKO進(jìn)行仿真得到此時(shí)微帶天線的RCS對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8　法向與15度對(duì)消后天線RCS曲線對(duì)比

從圖8中可以看出，針對(duì)15°利用天線二次輻射對(duì)天線RCS進(jìn)行縮減后，天線RCS的縮減效果更好。

4結(jié)語(yǔ)

非陣列天線散射主要包括模式項(xiàng)散射及結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射兩部分，通過(guò)對(duì)微帶天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射及模式項(xiàng)散射的分析，可知對(duì)天線模式項(xiàng)散射及結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射獨(dú)立進(jìn)行縮減不可能得到最優(yōu)的天線散射特性，通過(guò)天線二次輻射對(duì)消技術(shù)，可以將天線的模式項(xiàng)散射與結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射進(jìn)行對(duì)消，從理論上將天線的RCS縮減至無(wú)窮小，微帶天線上的應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了天線二次輻射對(duì)消技術(shù)的有效性。天線二次輻射對(duì)消技術(shù)對(duì)天線RCS的縮減有著較為重要的理論意義。

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RCSReductionofAntennawithReradiationInterferenceCancellation

RENZhi-gang

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036,China)

Abstract：RCS reduction of antenna now becomes increasingly important in modern military application. With the continuous development of stealth technology, RCS reduction of antenna must be considered in particular when applied to low RCS platform. In addition to structural-mode scattering, single station RCS of non-array antenna, also involves the antenna-mode scattering——a result of antenna reradiation. Matched loading is often used to reduce the antenna-mode scattering, but no further utilization done to the antenna-mode scattering. Based on discussion and analysis of the antenna mode scattering and structural mode scattering, a method with antenna mode to reduce RCS of antenna is proposed.

Key words：RCS (Radar Cross Section); antenna-mode scattering; structural-mode scattering; reradiation interference cancellation

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.009

* 收稿日期：2016-01-03；修回日期：2016-04-05Received date:2016-01-03；Revised date：2016-04-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)05-0554-04

作者簡(jiǎn)介：

任志剛(1981—)，男，博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)，天線設(shè)計(jì)，數(shù)值代數(shù)。