基于人工磁导体(AMC)的微带天线RCS减缩方法研究

Research on RCS Reduction Method of Microstrip Antenna Based on Artificial Magnetic Conductor (AMC)

摘要: 针对天线雷达截面减缩问题，本文利用N = 7的圆环和方环AMC块进行3 × 3的棋盘式组合，设计出了在宽频带范围内RCS减缩达−10 dB以上的RCS反射屏。又以普通RCS减缩外形技术处理后的微带天线作为参考天线，加载设计出RCS反射屏，使RCS减缩量在多散射方向和更宽频带内实现RCS减缩到达−10 dB的效果。为优化RCS减缩效果，该文进一步提出一种基于人工磁导体(AMC)的微带天线RCS减缩方法。论文将设计出的棋盘式AMC加载在微带天线上，使得在平面波垂直照射下，微带天线RCS减缩在相对很宽频带内，且RCS减缩量获得了很大的提升，普遍在−10 dB~−30 dB，而且微带天线工作带宽拓宽为2.39~2.58 GHz，带宽为190 MHz，只经过普通外形技术处理的相对参考天线工作频带2.42~2.5 GHz，带宽为80 MHz，两者相比，加载AMC结构后微带天线带宽增加了237.5%。微带天线在2~14 GHz频段范围内(带内和带外)均可实现RCS减缩效果，且天线增益略有增加。

Abstract: For the problem of antenna radar cross-section reduction, this paper uses N = 7 ring and square ring AMC block to carry out 3 × 3 checkerboard combination, and designs an RCS reflection screen with RCS reduction of more than −10 dB in a wide frequency range. The microstrip antenna pro-cessed by the common RCS reduction profile technology is used as a reference antenna, and the RCS reflection screen is loaded to make the RCS reduction and the RCS reduction to reach −10 dB in the multi-scattering direction and the wider frequency band. In order to optimize the RCS reduction effect, based on this, a new method based on artificial magnetic conductor (AMC) for microstrip antenna RCS reduction is proposed. The paper designs the checkerboard AMC on the microstrip antenna, so that under the vertical illumination of the plane wave, the RCS of the microstrip antenna shrinks in a relatively wide frequency band; the RCS reduction is greatly improved, generally at −10 dB~−30 dB; the operating bandwidth of the microstrip antenna is widened to 2.39~2.58 GHz, and the bandwidth is 190 MHz; the relative reference antenna operating band processed by the ordinary form factor technology is 2.42~2.5 GHz, and the bandwidth is 80 MHz. The bandwidth of the microstrip antenna after the AMC structure is increased by 237.5%. The microstrip antenna can achieve RCS reduction in the 2~14 GHz band (in-band and out-of-band) with a slight increase in antenna gain.

1. 引言

随着信息化技术的快速发展，现代战争愈加依靠通信、飞行器隐身、探测等技术。特别是隐身技术在战争中起着至关重要的作用。隐身性能越好，就意味着在战争中被敌方发现的几率越小，生存能力也就越强。雷达散射截面积(Radar Cross Section, RCS)减缩技术是指在战争中隐藏自己，尽量避免被敌方探测雷达探测到，从而增强自身生存能力，提升自己战斗力的关键技术 [1] [2] 。RCS减缩一般有四种方法：外形技术、吸波材料技术、无缘对消技术、有缘对消技术 [3] [4] 。

早期学者先后提出了天线散射的普通理论，短路天线散射理论，匹配负载天线散射理论等理论，使得散射理论有了很好的发展 [5] 。经过很长时间的研究，时至今日，微带天线RCS减缩研究愈来愈趋向成熟，也更多的运用到实际当中。常规的RCS减缩研究主要是通过外形技术来实现，现在的重点是在研究微带天线的阵列、特殊复杂结构和超材料作为涂覆层上进行深入。对微带天线的RCS减缩的研究大致可以归纳为五种：电阻加载技术、开槽技术、基片材料和覆盖层改进、变容二极管加载技术、小型化技术 [6] [7] 。但这几类方法在降低天线RCS时都存在一定的弊端，且只凭借单一的方法很难在不影响天线辐射的条件下达到RCS减缩的目的。

本文以外形技术RCS减缩微带贴片天线为基础，加载3 × 3 AMC棋盘式结构，实现微带天线带内带外RCS减缩，提升RCS减缩数量级，且拓宽微带天线工作带宽 [8] [9] [10] [11] 。

2. 利用棋盘式AMC设计宽带低RCS反射屏

本章对AMC单元进行排布组成反射屏，根据不同AMC结构的相位差，产生相位干涉，抑制特定方向上电磁波的传播，以达到减小单站RCS的目的。

AMC同相反射带宽有限，AMC与PEC棋盘式布局复合成的低RCS反射屏的工作带宽同样受到AMC同相反射带宽的限制，为了拓宽工作带宽，前人学者通常使用两种或两种以上的AMC结构来代替AMC和PEC，满足相位差 $143˚\le \left|{\phi }_1-{\phi }_2\right|\le 217˚$ ，即可实现相位差相对应工作频带内的RCS减缩。采用圆环AMC和方环AMC进行棋盘式组合，组成3 × 3棋盘式结构如图1所示。

Figure 1. 3 × 3 checkerboard combination structure

图1. 3 × 3棋盘式组合结构图

实践证明，对AMC结构反射相位产生影响的参数很多。通常只有AMC单元数目达到一定的数量，才能更好的表现出其反射相位特性。但是，在实际设计过程中，AMC单元数目过多则会产生一些负面影响，一是设计加工难度增大，二是会导致散射的栅瓣往边射方向靠拢，不利于整体目标RCS的降低。本节分别采取N × N = 3 × 3、5 × 5、7 × 7、9 × 9的规模个数组成AMC块。

AMC单元尺寸选择为：金属方环贴片内边长L0 = 4.0 mm，金属方环贴片外边长L1 = 6.6 mm，金属圆环贴片内半径R0 = 1.5 mm，金属圆环贴片外半径R1 = 2.5 mm。分别取N = 3、5、7、9时，f = 8 GHz时，其单站RCS减缩对比如图2所示。

Figure 2. AMC block single station RCS of different sizes

图2. 不同规模数AMC块单站RCS

图2分析可知，随着AMC单元个数的增加，反射能量更为分散，可达到有效抑制主瓣的目的从而降低RCS。入射波从不同方向入射，在单元法线方向上，单站RCS减缩效果相对较差，但总体都达到−10 dB以上，满足设计要求。

选取f = 8 GHz， $$ 面RCS方向图对比如图3所示。

Figure 3. F = 8 GHz, $\phi =0˚$ -side RCS direction comparison chart

图3. F = 8 GHz， $\phi =0˚$ 面RCS方向对比图

由图3分析可以看出，单元的数目对AMC块RCS效果明显，反射能量主瓣出现在法线方向，并且随着AMC单元个数增多，法向方向上能量越集中，栅瓣波束宽度变窄，当N = 9时，RCS已不能达到−10 dB，所以N个数取值过多并不利于RCS的降低。

选取N = 7的棋盘AMC结构研究入射波频率对RCS的影响，仿真结果如图4所示。

Figure 4. Different frequencies, $\phi =0˚$ , RCS pattern

图4. 不同频率， $\phi =0˚$ ，RCS方向图

图4对比不同频率下RCS方向图，可以看出，伴随频率的增加，栅瓣向法线方向靠拢，能量向法线方向集中，但表面其余方向RCS有明显减缩，在一定频率范围内，RCS减缩可达到−10 dB以上。

综合分析，AMC单元在设计时，尺寸和数目尤为重要，在高频时单元尺寸要远小于工作波长，这样可能会导致整体电尺寸随频率升高而增大，影响RCS减低效果。高频率同时会引起周期边界下的高次模，对RCS减低效果产生负面影响。在AMC结构应用于RCS的设计中，单元小型化设计很重要，但小型化过程中伴随出现窄频带带宽减小的影响，因此，在设计反射屏时只能综合考量、择衷选择。考虑本文设计微带天线工作波长为百毫米级别，为实现其更宽频段内的单站RCS减缩达−10 dB，我们择衷选择7 × 7单元个数组成3 × 3规模的AMC棋盘式组合，棋盘式AMC结构和RCS仿真结果分别如图5和图6所示。

Figure 5. AMC 3 × 3 checkerboard layout

图5. AMC 3 × 3棋盘式布局图

Figure 6. RCS reduction curve (IWaveTheta = $0˚$ )

图6. RCS缩减曲线(IWaveTheta = $0˚$ )

由图6分析可知，当入射波垂直照射时，在6.9~14.1 GHz频带范围内，单站RCS减缩效果达到−10 dB以上。在5.6 GHz处，RCS减缩量达到最大值，此频点与两种AMC单元反射相位差位180度频点基本一致。13.3 GHz出现第二个减缩峰值，是反射相位差存在0点，此时棋盘结构类似于AMC与PEC组合。此设计的频带宽度达到7.2 GHz，有效拓展了工作带宽。

当入射波入射角度分别取 $0˚$ 、 $30˚$ 、 $60˚$ 时，RCS减缩量对比如图7所示。

对比入射波从 $0˚$ 、 $30˚$ 、 $60˚$ 等不同入射角度照射的情况下，RCS减缩量在较宽频段内均能达到−10 dB以上，达到设计预期目标。

Figure 7. RCS reduction curve for different incident wave angles

图7. 不同入射波角度RCS减缩曲线

3. 新型AMC结构在微带天线RCS减缩中的应用

本节主要在对棋盘式AMC结构研究的基础上，将微带天线与AMC结构相结合设计，通过仿真分析对比参考微带天线与加载AMC反射屏后的微带天线的工作性能，以及RCS减缩效果。

参考天线选取了进行加载探针、贴片小型化、开槽技术等外形RCS减缩技术处理后的天线，尺寸结构如图8所示。

(a) (b)

Figure 8. Reference antenna structure: (a) Reference antenna top view; (b) Reference antenna top view

图8. 参考天线结构图：(a) 参考天线俯视图；(b) 参考天线俯视图

参考天线介质采用相对介电常数为4.4的FR4-opoxy材料，介质层厚度为1.5 mm。天线采用同轴探针馈电的方式。加载AMC后天线分为两部分：介质1为与参考天线同材质FR4-opoxy材料，厚度与参考天线一致为1.6 mm；介质2采用与AMC反射屏相同的相对介电常数为2.2的Duroid材料，厚度与AMC结构一致为3 mm。

入射波垂直照射的情况下，加载AMC反射屏后微带天线与参考天线仿真结果S11参数对比如图9所示。

Figure 9. Simulation comparison of loaded AMC structure antenna and reference antenna S₁₁ parameters

图9. 加载AMC结构天线与参考天线S₁₁参数仿真对比图

图9给出了加载AMC结构天线和普通微带天线的S₁₁参数仿真对比结果。加载AMC结构后，天线工作频带为2.39~2.58 GHz，带宽为190 MHz。参考天线工作频带为2.42~2.5 GHz，带宽为80 MHz。两者相比，加载AMC结构后微带天线带宽增加了237.5%。

加载AMC反射屏后微带天线与参考天线仿真结果辐射方向图对比如图10所示。

(a) (b)

Figure 10. Comparison of the radiation pattern of the loaded AMC structure antenna and the common antenna: (a) XOZ plane pattern; (b) YOZ plane pattern

图10. 加载AMC结构天线与普通天线辐射方向图对比图：(a) XOZ面方向图；(b) YOZ面方向图

分析图10可知，加载棋盘式AMC后天线的辐射方向图发生了一定变化，但对天线辐射性能影响不大，且增益在棋盘面法线方向增大了约2.2 dB。

加载AMC反射屏后微带天线与参考天线仿真结果RCS减缩对比如图11所示。

分析图11可知，加载AMC后天线RCS减缩效果相对参考天线有了明显提升，在平面波垂直入射的情况下，RCS仿真对比效果，在2~16 GHz整个频段范围内，RCS减缩最多达−23.7 dB。参考天线工作带宽在2.39~2.58 GHz，加载AMC后不仅实现了微带天线带内RCS减缩，还实现带外RCS减缩。

参考天线与加载天线RCS三维分布对比如图12所示。

Figure 11. Comparison of single-station RCS with frequency change between loaded AMC antenna and reference antenna

图11. 加载AMC天线与参考天线单站RCS随频率变化对比图

(a) (b)

Figure 12. Reference antenna and loaded AMC antenna RCS three-dimensional map: (a) Reference antenna; (b) Load AMC antenna

图12. 参考天线与加载AMC天线RCS三维分布图：(a) 参考天线；(b) 加载AMC天线

图12对比看出，平面波垂直入射时，参考天线法线方向上散射明显，加载AMC结构后，法向上的强散射得到有效抑制，使散射能量向四周发散，实现法向上RCS有效减缩，利于天线隐身。

4. 结论

本文主要采用圆环AMC和方环AMC进行棋盘式组合，为实现宽频段内的单站RCS减缩达−10 dB，择衷选择7 × 7单元个数组成3 × 3规模的AMC棋盘式组合，利用N = 7的圆环和方环AMC块进行3 × 3的棋盘式组合，设计出了在宽频带范围内RCS减缩达−10 dB以上的RCS反射屏。并以经过加载探针、贴片小型化、开槽技术等外形RCS减缩技术处理后的微带天线作为参考天线，加载设计的RCS反射屏，使RCS减缩量在多散射方向和更宽频带内实现RCS减缩到达−10dB的效果。

普通外形技术处理后，微带天线RCS减缩量均在−10 dB以内，且频带很窄，在个别频段范围内RCS才有减缩效果，微带天线工作频率2.46 GHz时，RCS减缩无法实现，为带外RCS减缩，存在很大的局限性。同在平面波垂直照射下，加载棋盘式AMC结构后，不仅微带天线RCS减缩在相对很宽频带内，且RCS减缩量获得了很大的提升，普遍在−10 dB~−30 dB，而且微带天线工作带宽拓宽为2.39~2.58 GHz，带宽为190 MHz，相对参考天线工作频带2.42~2.5 GHz，带宽为80 MHz，两者相比，加载AMC结构后微带天线带宽增加了237.5%。微带天线在2~14 GHz频段范围内(带内和带外)均可实现RCS减缩效果，且天线增益略有增加。

NOTES

^*通讯作者。