1. 引言
微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。微带天线有着体积小、重量轻、制造工艺简单、容易实现共形等多种优点,从而得到了广泛的应用 [1] [2]。近些年来,微带天线RCS的减缩问题是人们研究的热点问题 [3] [4]。RCS是衡量目标散射特性的重要参数,对于飞行器而言,RCS越小,飞行器的隐身性能越好,越不容易被地方探测 [5] [6]。因此天线RCS减缩控制对于实现电磁波隐身有决定性的作用,在强调军事强国的今天,天线RCS减缩的研究有重要的意义 [7]。对于RCS的减缩方法,可以归纳为三类:加载技术、改变天线基片和覆盖层技术、周期性结构技术。但是现存的这几种方法都有或多或少的缺点,并且在减缩RCS的同时,会影响天线辐射的条件 [8]。
针对这一问题,本文以微带天线的基本理论为基点,设计了一种新颖的微带天线,在满足天线辐射性能的同时,实现了RCS减缩的目的。
2. 天线散射分析
微带天线最早称作微带辐射器,主要分为微带贴片天线、微带振子天线、微带线性天线、微带缝隙天线四种类型 [9] [10]。早期由于软件和硬件方面的限制,微带天线难以运用到实际工程中,微带天线的研究没有被更多的关注,微带天线技术也就止步不前。直到上世纪70年代,在空间技术和微波技术取得发展的基础上,微带天线才实质性应用到工程实践当中 [11]。目前,微带天线在100 MHz到100 GHz的宽频段内得以广泛应用,涉及各行各业,雷达、遥感技术、电子对抗、武器引信、卫星通信、医用微波辐射等 [12]。天线的散射分天线结构模式项散射和天线模式项散射。天线结构模式项散射即在入射波照射
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Figure 1. Antenna scattering physical model
图1. 天线散射物理模型
情况下,天线为理想匹配负载状态,散射机理与普通目标体散射原理一致;天线模式项散射即在入射波照射情况下,负载与天线阻抗不匹配,天线反射功率产生二次再辐射,其散射场受负载变化的影响,天线模式项散射也是天线与普通散射体相比特有的散射特点 [13]。天线散射的物理模型和天线散射原理模型分别如图1和图2所示。其中,天线散射原理模型是以单端口天线为基础来建立的。
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Figure 2. Antenna scattering principle model
图2. 天线散射原理模型图
入射波的照射角度对微带天线的散射特性影响明显,不同的照射角度,微带天线各点散射强度各异。本节主要分析了受到不同角度的入射波照射时,微带天线的散射情况。图3为入射波的方向图。
本文设计了三种天线或模型,如图4所示。其中,图4(a)为模型1,图4(b)为模型2,图4(c)为参考微带天线。贴片尺寸和接地板尺寸在图4有详细标注,介质基片考虑为理想介质层。
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Figure 4. Model 1, Model 2, Reference Antenna Structure
图4. 模型1、模型2、参考天线结构图
当入射波垂直照射时,三种被照射目标的RCS对比如图5所示。从图中可以看出,这种情况下,入射波以不同频率对三种被照射目标进行照射时,三种被照射目标的RCS非常接近。说明入射角为0时,对微带天线RCS产生影响的主要因素在于接地板。
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Figure 5. Structure Comparison of RCS of three kinds of irradiated targets
图5. 三种被照射目标的RCS对比图
当入射波的照射角度范围在80˚ ≤ θ ≤ 90˚时,从图3中可以看出,这种情况下,入射波与微带天线贴片所形成的夹角非常小,三种被照射目标的RCS对比如图6所示。从图中可以看出,入射波以不同频率对三种被照射目标进行照射时,三种被照射目标的RCS相对来说非常的接近。图7为入射频率分别为2 GHz、4 GHz、8 GHz的平面波时,电场的比对图。通过分析可知,此种情况下,微带天线的强散射源主要在贴片上。
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Figure 6. Structure comparison of RCS of three kinds of irradiated targets
图6. 三种被照射目标的RCS对比图
(a)
(b)
(c)
Figure 7. Map patch electric field strength comparison chart
图7. 图贴片电场强度对比图
当入射波的照射角度范围在时,三种被照射目标的RCS对比如图8所示。这种情况下,入射波与微带天线贴片所形成的夹角非常大,需要进行分解,综合前面讨论的两种散射机理,相对来说较为复杂。若想减缩微带天线的RCS,必须要抑制产生RCS峰值的其余谐振模式。
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Figure 8. Structure comparison of RCS of three kinds of irradiated targets
图8. 三种被照射目标的RCS对比图
3. 微带天线RCS减缩
3.1. 短路探针加载技术
首先设计了一种微带贴片天线(工作频率为2.46 GHz)作为参考天线,如图9(a)所示。贴片结构尺寸和地板尺寸结构见图9(a)。在此基础上,加载短路探针,即相当于引入电感和电容。加载短路后天线结构如图9(b)。
上节分析了入射波角度为0˚ ≤ θ ≤ 15˚、15˚ ≤ θ ≤ 80˚、80˚ ≤ θ ≤ 90˚三种情况时的散射情况,在这三种不同的入射波角度照射下的散射情况分析的基础上,本节从入射角度θ = 85˚对微带天线的RCS进行了分析比对。两种天线的参数对比如图10所示。仿真的结果如图11所示。微带天线工作频率下,单站RCS减缩对比如图12所示。
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Figure 9. Reference antenna and short circuit probe antenna structure diagram
图9. 参考天线与加载短路探针天线结构图
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Figure 10. Comparison of the parameters of the two antennas
图10. 两种天线的参数对比图
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Figure 11. Comparison of two antennas RCS
图11. 参考天线与加载短路探针天线RCS对比图
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Figure 12. Single station RCS analysis comparison chart
图12. 单站RCS分析对比图
通过上述实验对比图可以得出,通过为微带天线加载短路探针,成功的实现了RCS缩减的目的,验证了加载短路探针的可行性和有效性。
3.2. 小型化技术
在上一节基础上,得出入射波为时的RCS减缩情况。在频段2 GHz~3 GHz范围内,满足RCS频率特性,低频散射特性,位于瑞利区,改变微带物理尺寸对RCS对比影响不大。因此下步选择扫频范围为3 GHz~8 GHz,利于更直观对比RCS。当入射波从角域入射时,散射情况最为复杂更具代表性。因此,以下设定入射波入射角、的极化波为入射波,此角度照射同时包括垂直分量与水平分量,对RCS减缩的验证更具有说服力。
本节在上一节的基础上,对微带天线进行小型化处理,具体方法为在微带天线贴片上进行开缝处理,开缝位置分别在微带天线的左上和右下,缝宽1 mm,缝长10 mm。如图13所示,图13(a)、图13(b)分别为参考天线与开缝小型化后的天线结构图。
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Figure 13. Single station RCS analysis comparison chart
图13. 单站RCS分析对比图
仿真的结果如图14所示。微带天线工作频率下,单站RCS减缩对比如图15所示。
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Figure 14. Comparison of two antennas RCS
图14. 参考天线与小型化天线RCS对比图
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Figure 15. Single station RCS analysis comparison chart
图15. 单站RCS分析对比图
从图15中可以看出,对微带天线进行贴片小型化处理之后,成功达到了RCS减缩的目的。通过与图14的对比,在3.1节中提出的加载短路探针的微带天线为参考天线的基础之上,进一步的进行小型化处理,成功缩减了微带天线的RCS,降低均值约为3 dBsm,最大缩减值达到了7.1 dBsm。通过实验分析验证了微带天线小型化处理的可行性与有效性。
4. 基于人工磁导体的微带天线RCS减缩方法研究
上述方法在一定程度上达到了微带天线RCS减缩的目的,但是减缩量有限,本节为解决外形技术对RCS缩减的局限性这一问题,从而进一步缩减RCS,提出一种基于AMC的微带天线RCS减缩方法。并通过仿真实验验证了所提方法的有效性。
本文在综合分析比较了圆环AMC、方环AMC、“十”字形AMC之后,对比获得了频带较宽的AMC单元,决定采用圆环AMC和方环AMC进行棋盘式组合,如图16所示。
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Figure 16. Checkerboard combination structure diagram
图16. 棋盘式组合结构图
AMC单元的数量较少时,不能很好的反映出其反射相位特性,但是AMC单元过多会增加成本,加大加工难度,并且在整体目标RCS的降低方面表现较差。本节采用N × N的AMC单元组合成AMC块,N分别取值3、5、7、9,结构如图17所示。AMC单元尺寸为上述最优方环AMC、圆环AMC单元的尺寸。当f = 8 GHz时,其单站RCS减缩对比如图18所示。
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Figure 17. Top view of N × N scale AMC block legend
图17. N × N规模数AMC块图例俯视图
由图18可知,AMC单元数不同,反射能量情况也不同,整体上来说,AMC单元数越少,反射能量越集中,但对主瓣的抑制效果会变差,RCS的减缩效果不明显,但从图中可以看出,RCS的减缩效果整体上都超过了−10 dB,证明了该设计的有效性。
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Figure 18. Comparison of single station RCS of AMC blocks of different sizes
图18. 不同规模数AMC块单站RCS对比
图19给出了入射波频率分别为6 GHz、10 GHz时,参考天线和加载AMC天线的单站RCS对比。从图中可以看出,加载AMC可以有效的降低微带天线RCS,并且降低效果较为显著,RCS减缩最大可达−23.7 dB,并且加载AMC后,同时实现了带内和带外的减缩。
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Figure 19. Comparison of single station RCS of AMC blocks of different sizes
图19. 不同规模数AMC块单站RCS对比
5. 总结
本文主要研究了微带天线RCS减缩方法,首先设计了一款常规的微带天线,保证了其工作带宽和增益良好的基础上,对其进行外形处理,例如短路探针加载、贴片小型化等,达到了微带天线RCS减缩的目的,同时保证了天线辐射工作性能。并通过仿真实验验证了通过外形技术降低微带天线RCS的可行性。为进一步降低微带天线的RCS,提出一种加载棋盘式AMC的微带天线,成功实现了在更宽频段的RCS减缩的目的。并且通过实验验证了该方法的可行性和有效性。在未来,为进一步实现微带天线RCS的减缩,我们将研究通过抑制天线各个方向的散射能量,实现目标全方位角的RCS减缩。
NOTES
*通讯作者。