1. 引言
飞行器隐身性能的研究是目前天线研究的热点方向。微带天线因为其剖面低、重量轻、体积小等优点,在实际应用中非常广泛。现代各种规模的战争主要就是依靠信息化,信息化技术的博弈是战争是否取胜的关键因素。雷达散射截面积作为衡量天线隐身性能的重要指标,反映了目标物体对电磁波反射能力的大小 [1] [2] 。天线作为发射和接收电磁波的散射体,降低其RCS即有效降低军事设备被探测到的几率,因而研究微带天线RCS的减缩具有重要意义。现代隐身飞机,为了获取良好的隐身效果,通常可以采用改变外形,涂覆吸波材料等方式降低目标RCS [3] [4] [5] [6] [7] 。本文以微带天线的基本理论为基点,设计一款工作频率在2.46 GHz的微带贴片天线,根据不同入射角度的入射波所产生的RCS减缩效果,对比不同角度的入射波,提出RCS减缩方法,并设计满足天线辐射性能的同时又能实现RCS缩减的微带天线,验证方法的可行性。
2. 微带天线散射分析
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不同。对微带天线的散射分析,主要通过把入射波的照射角度划分为三个角域,分别为:
、
、
。本节主要分析三个不同角度入射波照射情况下的散射截面情况,并相应提出缩减的办法。
设计三款天线分别为模型1、模型2、微带天线。微带天线为一款常规微带天线,贴片尺寸为37.26 mm × 28 mm,接地板尺寸为74.52 mm × 56 mm,介质基片为理想介质层,如图1所示。模型2是与微带天 线尺寸相同的金属贴片和接地板构成,贴片与接地板间距与微带天线相同;模型1为与参考天线尺寸相同的一块接地板。
入射波入射角度分别取
、
、
,入射波频率范围为2 GHz~8 GHz,对三种情况下普通微带天线、相同尺寸接地板及贴片、相同尺寸接地板模型的RCS数据进行综合对比,如图2所示:
(a) (b) (c)
Figure 2. Reference antenna and RCS model contrast, (a) Angle of incidence
; (b) Angle of incidence
; (c) Angle of incidence
图2. 参考天线与模型RCS对比图,(a) 入射角
;(b) 入射角
;(c) 入射角
当入射波从
照射时,参考天线与对比模型RCS情况如图2(a)所示,通过数据对比可以看出,散射的主要影响因素是接地板参数,因此可以通过减小天线接地板的尺寸,让天线得以小型化,地板开槽等方式来降低地板的镜面反射作用,从而达到有效的RCS减缩目的。
当平面波从
的角域照射时,通过图2(b)数据对比和对天线散射机理分析可以得出,入射波照射到微带天线上,在贴片上会产生高次模感应电流,而天线工作模式主要为主模TM10模,为了达到减缩RCS目的就需要抑制产生RCS峰值的其余谐振模式。在贴片和地板上进行合理的开槽处理可以截断贴片上的高次模电流,且能保证谐振模式不受影响,达到降低RCS的效果。
当平面波入射角度为
时,如2(c)所示,这时散射源主要集中在微带贴片上,可以适当减小贴片的尺寸,在贴片投影面相对的地板上进行开槽等方式有效降低微带天线RCS。
3. 微带天线RCS减缩技术
3.1. 短路探针加载技术
以第2节图1所示微带天线作为参考天线,工作频率在2.46 GHz。采用同轴馈电的方式,贴片结构尺寸为28 mm × 37.26 mm,地板尺寸结构为56 mm × 74.52 mm,h为1.6 mm。在参考天线的基础上,加载短路探针,天线馈电点中心坐标为(7 mm, 0),半径为1.5 mm;短路探针中心坐标为(−10 mm, 0),半径为2 mm (如图3所示)。
Figure 3. Load short circuit probe antenna
图3. 加载短路探针天线
根据上节对不同方向入射波情况下的散射情况分析和对应的RCS缩减方法,这里从入射角度
分析比对RCS,仿真结果如图4、图5所示:
Figure 4. Reference antenna and load short circuit probe antenna RCS contrast
图4. 参考天线与加载短路探针天线RCS对比
Figure 5. Single station RCS analysis and contrast
图5. 单站RCS分析对比
分析图4可以得出,加载短路探针后,微带天线RCS约在频段5.0 GHz~7.5 GHz内达到了减缩的目的,验证了加载短路探针方法的可行性。从图5可看出,当入射波入射角方向在
范围时,加载短路探针对微带天线RCS减缩产生作用。
3.2. 小型化技术
根据微带天线散射机理,当高频入射波照射时,贴片与地板间散射场不断相互作用,在贴片上产生较强辐射源。在天线贴片表面开缝,可有效切断贴片表面电流路径,使电流路径加长,相当于加入级联电感。
在上一节加载短路探针的基础上,在微带天线贴片上开出两个“L”形缝(缝宽1 mm,长10 mm)实现贴片小型化,并设定入射波入射角
、
的
极化波为入射波,开缝小型化后微带天线如下图6所示:
Figure 6. Miniaturized microstrip antenna structure
图6. 小型化后微带天线结构图
贴片小型化处理后微带天线RCS减缩(入射波入射角
、
)与单站RCS对比如图7、图8所示:
Figure 7. RCS comparison of reference antenna and miniaturized antenna
图7. 参考天线与小型化天线RCS对比图
Figure 8. Single station RCS analysis and comparison
图8. 单站RCS分析对比图
图8可得出,在参考天线基础上贴片小型化后,当入射波入射方向在
范围时,小型化对微带天线RCS减缩产生作用。通过图7对比,在加载短路探针微带天线为参考天线的基础上,对微带贴片进行适当的开缝小型化处理后,微带天线的RCS在5.2 GHz~7.9 GHz频带范围内有明显的降低,普遍降低约3 dBsm,最大减缩量达到7.1 dBsm。综合小型化后比对,微带天线S参数、带宽和增益受影响不大,在可接受范围内。微带天线RCS减缩目的达成,验证了贴片开“L”缝小型化技术的有效性。
3.3. 开槽技术
对于微带天线的工作模式(工作带宽内),其电场沿非辐射边中心处为零,加载探针对辐射性能几乎没有影响。为了使RCS减缩效果更好,贴片小型化的基础上再对微带天线接地板进行开槽处理。在微带天线地板上开槽可以改变感应电流路径,进而影响天线的散射特性以达到降低天线RCS的目的 [8] 。在上一节小型化后微带天线的基础上,对地板进行开槽,结构如图9所示。
Figure 9. Floor slotted antenna structure
图9. 地板开槽天线结构图
微带天线地板开槽以后,RCS减缩效果如图10所示。从图11可得出,在参考天线基础上地板开槽后,当入射波入射方向在
、
范围时,接地板开槽对微带天线RCS减缩产生作用。从图10可以直观的看出,在约4.25 GHz~4.9 GHz、5.1 GHz~5.4 GHz、6.5 GHz~7.0 GHz频带内,地板开槽技术对RCS减缩其促进作用,RCS最多减缩量最多达到10 dB。
Figure 10. RCS comparison of reference antenna and grounding plate slotted antenna
图10. 参考天线与接地板开槽天线RCS对比图
Figure 11. Single station RCS analysis and comparison
图11. 单站RCS分析对比图
本节在加载短路探针和小型化技术的基础上,再对微带天线地板进行开槽处理,改变有入射波照射引起的地板上高模次电流的方向,抑制高模次电场,同时减小地板反射面。微带天线带宽增大,辐射方向增益有微小降低,在可接受范围内。结果显示地板开槽对RCS减缩在部分频段内有效,验证了地板开槽技术的可行性。
4. 基于AMC的微带天线RCS减缩技术
上述三种方法对RCS减缩产生了一定的作用,但RCS减缩数量级不是很高,减缩量均在10 dB以内,普通的外形技术在微带天线RCS减缩中还存在一定的局限性 [9] [10] 。本节提出一种基于人工磁导体(AMC)技术的微带天线RCS减缩方法,进一步改善RCS的缩减量。
AMC (人工磁导体)是一种电磁周期性结构,也称为高阻面,通常将某种金属结构印刷在带有金属接地板的介质基片上,可以实现入射电磁波的同相反射,达到反射相位为
的目的 [11] [12] 。选取
的单元个数组成
规模的方环和圆环混合AMC棋盘加载到外形RCS减缩技术处理后的天线上,如图12所示:
为了比较加载AMC棋盘后RCS的减缩效果,对不同入射频率下的单站RCS进行仿真,结果如下:
图13分别给出在2 GHz、6 GHz两种频率下加载AMC天线与参考天线随入射波角度变化的单站RCS对比图。可以看出加载AMC后天线RCS减缩效果相对参考天线有了明显提升,减缩效果总体上在−10 dB到−30 dB范围内。2 GHz时,在0~180度入射角范围内,均能实现RCS减缩,在平面波垂直照射情况下,RCS减缩最多达−23.7 dB;6 GHz时,在较宽入射角范围(0~38度、75~180度)内可实现RSC减缩。
(a) f = 2 GHz (b) f = 6 GHZ
Figure 13. Single-station RCS comparison at different incident frequencies
图13. 不同入射频率下单站RCS对比图
5. 总结
本文主要介绍微带天线RCS减缩方法,并且分析了传统微带天线的散射特性,提出了减低微带天线散射的理论方法。设计了一款微带贴片天线,然后对贴片依次进行短路探针加载、小型化、地板开槽处理后,依次验证了在保证微带天线辐射性能受影响不大的前提下,三种方法对RCS减缩产生了一定的作用,但RCS减缩数量级不是特别明显,减缩量均在10 dB以内,普通的外形技术在微带天线RCS减缩中还存在一定的局限性。在此基础上利用基于人工磁导体(AMC)的微带天线减缩方法对该贴片天线做了进一步处理,提升RCS减缩数量级,使减缩效果总体达到−10 dB到−30 dB。
NOTES
*通讯作者。