基于組合梯度超表面的低RCS微帶天線設(shè)計(jì)

莊亞強(qiáng) 王光明 張青峰

(1. 空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051;2. 南方科技大學(xué)電子與電氣工程系,深圳 518055)

引 言

微帶天線憑借低剖面、輕重量、易加工,且易與目標(biāo)載體共形的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于飛行器的通信系統(tǒng)．當(dāng)前,飛行器的隱身化是一個(gè)重要發(fā)展方向,作為飛行器上發(fā)射和接收信號(hào)的射頻前端設(shè)備,天線的雷達(dá)散射截面(radar cross section, RCS)是整個(gè)飛行器RCS的重要組成部分,因此縮減天線的RCS對(duì)飛行的隱身化設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)意義[1]．天線的RCS減縮設(shè)計(jì)與雷達(dá)目標(biāo)的RCS減縮設(shè)計(jì)不同,其隱身設(shè)計(jì)應(yīng)該建立在天線輻射特性保持不變的前提下,這也是天線RCS減縮設(shè)計(jì)的難點(diǎn)．

近年來,超表面由于可在亞波長維度上實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波幅度、相位、極化等特性的靈活調(diào)控[2],因此廣泛應(yīng)用于波束調(diào)控[3]、極化調(diào)制[4]、低RCS天線[5-14]等領(lǐng)域．與傳統(tǒng)雷達(dá)隱身技術(shù)的分類相似,基于超表面的天線RCS減縮技術(shù)也可以大致分為兩類,第一類是將入射電磁波進(jìn)行損耗吸收,第二類是調(diào)控入射電磁波的散射場(chǎng)分布,使散射波偏離威脅方向．文獻(xiàn)[5]將超薄吸波體應(yīng)用于縫隙天線的RCS減縮,但是由于吸波體固有的窄帶特性,存在減縮帶寬窄的缺點(diǎn)．為了增大天線RCS減縮的帶寬,文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種加載集總電阻的寬帶吸波體結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)天線RCS在6.75～17.91 GHz減縮3 dB以上,但是集總電阻的引入增大了加工的難度．劉英等基于極化旋轉(zhuǎn)單元設(shè)計(jì)棋盤格超表面應(yīng)用于縫隙陣列和微帶天線的RCS減縮,存在雙站RCS仍然較大的不足[7-8]．李增瑞等將隨機(jī)編碼技術(shù)用在減縮微帶陣列天線的RCS上,需要進(jìn)行耗時(shí)的優(yōu)化過程才能獲得理想的減縮效果[9-10]．

本文基于梯度超表面的奇異反射特性提出了一種天線RCS減縮新技術(shù),將8個(gè)梯度方向間隔45°的相位梯度超單元按順序排列在天線輻射貼片的周圍,可在7.2～18.4 GHz實(shí)現(xiàn)5 dB的RCS縮減,同時(shí)保持天線輻射特性基本不變．與已報(bào)道的技術(shù)相比,該RCS減縮技術(shù)具有設(shè)計(jì)簡單、超寬帶工作的優(yōu)點(diǎn)．

1 超表面單元設(shè)計(jì)

超寬帶相位梯度超表面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)滿足相移要求的寬帶單元,為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了雙頻單元以增加單元的工作帶寬,如圖1所示．單元由三層構(gòu)成,上層是金屬結(jié)構(gòu),中間層是h=3 mm、tanδ=0.001的聚四氟乙烯玻璃布板,底層是全金屬地,金屬層的厚度為0.036 mm．單元結(jié)構(gòu)由十字貼片和十字環(huán)構(gòu)成,通過合理調(diào)節(jié)兩部分結(jié)構(gòu),使得各自的諧振頻率相融合以實(shí)現(xiàn)寬帶特性．經(jīng)過優(yōu)化,具體尺寸參數(shù)為p=9 mm,a=b=0.4 mm,w=2.4 mm．反射相位的調(diào)控是通過調(diào)節(jié)貼片的長度l實(shí)現(xiàn)的．采用CST Microwave Studio的頻域求解器對(duì)單元的反射系數(shù)進(jìn)行仿真,在x和y方向上分別設(shè)置unit cell邊界條件以模擬無限周期邊界,反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示．從圖2(a)可以得到,在三種長度下單元的反射幅度均接近于0 dB,表明三種單元工作在全反射狀態(tài)．從圖2(b)可以看出,當(dāng)l=6.35 mm、4.84 mm和3.6 mm時(shí),在10 GHz處的反射相位分別為-259.8°、-139.9°和-20.1°,相鄰相位間隔約為120°,因此可用該三種單元構(gòu)成相位梯度超表面．另外,還可以得到反射相位曲線隨頻率變化的線性度良好,且不同長度下的相位曲線近似平行．基于該單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一維和二維相位梯度超單元如圖3所示,紅色箭頭表示相位梯度的方向,一維超單元是由三個(gè)單元沿x方向排列,同時(shí)沿y方向周期延拓構(gòu)成;二維超單元是由三個(gè)單元分別沿x和y方向排列構(gòu)成,在兩個(gè)方向上的梯度分量相等．根據(jù)相位梯度超表面的奇異反射特性可知,一維梯度超表面可實(shí)現(xiàn)共面的奇異反射效果,二維梯度超表面具備異面的奇異反射性能．奇異反射方向可以根據(jù)廣義斯涅爾定律得到,二維梯度滿足的定律如下:

(1)

(2)

式中:dΦ/dx和dΦ/dy分別表示沿x和y方向的梯度;θr和φr用于表示反射方向的俯仰角和方位角;θi表示入射角;λ0為自由空間的波長;ni為介質(zhì)的折射率．一維梯度是二維梯度的特殊情況,其反射方向可由式(1)得到．

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of unit cell

(a) 幅度 (b) 相位(a) Magnitude (b) Phase圖2 不同尺寸下反射系數(shù)的頻率響應(yīng)Fig.2 Reflection coefficient with different dimensions versus frequency

圖3 一維(左)和二維(右)相位梯度超單元示意圖Fig.3 Schematic of 1D (left)and 2D (right) phase gradient supercell

2 低RCS天線的設(shè)計(jì)與仿真分析

首先我們?cè)O(shè)計(jì)了一款工作在10 GHz處的同軸背饋微帶天線,介質(zhì)板沿用與超表面單元相同的介質(zhì)板,輻射貼片的尺寸為La=9.5 mm,Wa=8.3 mm,整個(gè)天線周期為Pa=81 mm．在此基礎(chǔ)上,我們?cè)谳椛滟N片周圍排布了所設(shè)計(jì)的一維和二維梯度超單元,排布原則是一維超單元和二維超單元交替相間,且相鄰超單元之間梯度方向依次相間45°,如圖4所示．共有8個(gè)梯度方向各異的超單元排布在輻射貼片的周圍,由于相位梯度超表面的奇異反射方向由相位梯度決定,因此這8個(gè)超單元的共同作用將會(huì)把入射電磁波散射到各個(gè)方向,表現(xiàn)出漫反射的效果,從而降低天線的RCS．

采用CST Microwave Studio的時(shí)域求解器分別對(duì)原始天線和加載超表面后的天線進(jìn)行全波仿真,S11的仿真結(jié)果比對(duì)如圖5所示,可得超表面加載前后天線的S11變化不大,回波損耗小于10 dB的帶寬從9.2～10.9 GHz變?yōu)?.3～11 GHz,諧振頻率保持在10 GHz處不變,表明超表面的引入并不會(huì)對(duì)天線的匹配性能造成嚴(yán)重影響．我們繼續(xù)研究超表面的加載對(duì)天線輻射特性的影響,加載超表面前后天線在10 GHz處的方向圖仿真結(jié)果如圖6所示,可見超表面的加載并未對(duì)輻射方向圖帶來嚴(yán)重影響．從圖6可以看出:低RCS天線的E面方向圖最大輻射方向偏離了15°左右,但是增益提高了1.1 dBi;H面方向圖的最大輻射方向和增益基本保持不變．因此可以得出結(jié)論,加載超表面后的低RCS微帶天線基本保持了原始天線的輻射特性．

圖4 低RCS天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of low RCS antenna structure

圖5 原始天線和加載天線的S11比較Fig.5 Comparison of S11 parameter for initial antenna and loaded antenna

(a) E面 (b) H面(a) E-plane (b) H-plane圖6 原始天線和加載天線的輻射方向圖比較Fig.6 Comparison of radiation pattern for initial antenna and loaded antenna

接下來研究低RCS天線的散射特性,分別設(shè)置x極化和y極化平面波垂直照射,得到低RCS天線相較于原始天線的RCS減縮值如圖7(a)所示,可見兩種極化下的RCS減縮響應(yīng)幾乎一致,體現(xiàn)了該低RCS天線的低散射特性具有極化不敏感特性,x極化波激勵(lì)下RCS縮減5 dB以上的帶寬為7.2～18.4 GHz,最大減縮值達(dá)到了20 dB以上,覆蓋了天線的工作帶寬(9.3～11 GHz),注意到y(tǒng)極化波在7.8～9 GHz的減縮值小于5 dB,這是由于輻射貼片的各向異性導(dǎo)致的．繼續(xù)研究斜入射條件下的RCS減縮性能,圖7(b)給出了x極化波分別從0°和45°入射的RCS減縮比較結(jié)果,可以得出,低RCS天線在45°斜入射條件下仍然具有超寬帶RCS減縮特性,只是在8.1～9 GHz和13～13.3 GHz的減縮性能變差,表明該RCS減縮技術(shù)具有大入射角穩(wěn)定性．選用帶內(nèi)(10 GHz)和帶外最佳減縮點(diǎn)(14.3 GHz)兩個(gè)頻點(diǎn)比較兩種天線的雙站RCS,如圖8所示．可以得到:在10 GHz處,低RCS天線在±20°角域內(nèi)的雙站RCS均小于原始天線,但是在個(gè)別角域內(nèi),其雙站RCS相較于原始天線有所增大,但是增加量比鏡像角域內(nèi)的減縮量小,該現(xiàn)象是由散射能量的重新分布導(dǎo)致的;而在14.3 GHz處,低RCS的散射能量分布更為平均,雙站RCS峰值很低,漫反射效果顯著．

(a) 不同極化入射(a) Incidence of different polarizations

(b) 不同角度入射(b) Incidence of different angles圖7 單站RCS減縮Fig.7 Monostatic RCS reduction

(a) 10 GHz

(b) 14.3 GHz圖8 雙站RCS比較Fig.8 Comparison of bistatic RCS

3 加工與實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)所設(shè)計(jì)的低RCS天線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用印刷電路板技術(shù)(printed circuit board,PCB)加工了原始天線和低RCS天線的樣品,如圖9(a)所示,介質(zhì)板為厚度3 mm的F4B,測(cè)試平臺(tái)搭建如圖9(b)所示．首先采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試低RCS天線的S11,測(cè)試和仿真的比較如圖10所示,測(cè)試結(jié)果表明低RCS天線的回波損耗小于10 dB的帶寬為9.25～11.35 GHz,與仿真結(jié)果(9.3～11 GHz)的一致性良好．10 GHz處方向圖的測(cè)試和仿真結(jié)果比較如圖11所示,可以得到測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的一致性良好,微小的差異是由于加工和測(cè)試誤差引起的．由于實(shí)驗(yàn)條件限制和RCS減縮的極化不敏感性,我們只測(cè)試了6～18 GHzx極化波激勵(lì)下的散射特性,單站RCS減縮的測(cè)試和仿真結(jié)果比較如圖12所示,雖然與仿真結(jié)果的趨勢(shì)有所差異,但是在7.2～18 GHz RCS減縮效果顯著．

(a) 樣品實(shí)物圖(a) The prototype of fabricated sample

(b) 測(cè)試設(shè)置圖(b) Measurement setup圖9 天線樣品及測(cè)試Fig.9 The antenna sample and measurement

圖10 低RCS天線的S11Fig.10 The S11 of low RCS antenna

(a) E面 (b) H面(a) E-plane (b) H-plane圖11 低RCS天線的方向圖Fig.11 The radiation pattern of low RCS antenna

圖12 后向單站RCS減縮Fig.12 The backward monostatic RCS reduction

4 結(jié) 論

本文采用梯度方向各異的梯度超單元加載在微帶貼片周圍,在保持輻射特性不變的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)將天線的散射場(chǎng)向各個(gè)方向發(fā)散,表現(xiàn)出漫反射現(xiàn)象．該方法實(shí)現(xiàn)簡單,無需耗時(shí)的優(yōu)化就可以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的漫反射特性,解決了傳統(tǒng)技術(shù)中存在的帶寬受限和設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題．但是所設(shè)計(jì)的低RCS天線只實(shí)現(xiàn)了5 dB的RCS減縮,可考慮設(shè)計(jì)更加小型化的單元來提升減縮性能．