新型超宽带微带天线辐射和散射特性研究

姜 文 龚书喜 洪 涛 刘 英

(西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西 西安 710071)

1.引 言

为适应未来的高科技综合电子战,隐身技术得到了大量的应用,因此世界上越来越多的国家重视和发展隐身技术。但是对于低可见平台来说,对其总雷达截面(RCS)贡献较大的却是平台上的天线,由于天线系统自身工作特点的限制,它必须保证自身雷达波的正常接收和发射,因此常规的隐身措施(如低RCS外形设计、雷达吸波材料技术等)不可简单地应用于天线隐身中,这就使天线系统隐身成为隐身技术中难以解决的关键问题。

超宽带雷达系统具有较高的距离分辨率和宽的频谱,具有精确的目标识别能力,能获得复杂目标的细微特征,在反隐身、反导以及目标识别等方面具有广泛的应用价值。但是,为了提高超宽带雷达的战场生存率,就必须对其进行隐身处理。因此,对超宽带天线散射特性的研究,以及在保证辐射特性的同时减缩超宽带天线的RCS具有重要意义。

2.理论分析

天线是一类特殊的散射体,它的散射通常包括两部分:一部分是与散射天线负载情况无关的结构模式项散射场,它是天线馈电线接匹配负载时的散射场,其散射机理与普通散射体的散射机理相同;另一部分则是随天线的负载情况变化的天线模式项散射场,它是由于传输线与接收机和天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场,这是天线作为一个加载散射体而特有的散射场[1-6]。在天线的散射理论研究方面,利用散射矩阵可推导出天线散射的基本表达式。文献[7]提出了一个分析天线散射的模型,利用该模型可分别得到天线散射的两个分量,解决了天线结构模式项与天线模式项之间相位差难以确定的问题。利用该模型即可求解各种天线的RCS特性,该模型的结论公式如下所示

式中第一项对应天线结构模式项散射场,第二项对应天线模式项散射场,其中:Es(Zl)指接收机端接任意负载时的天线散射电场;Es(∞)指接收机端接开路负载时的天线散射电场;Es(0)指接收机端接短路负载时的天线散射电场;Γl指接收机负载反射系数,Γa指天线反射系数。

文献[8]中提出了一种用共面波导方式馈电的平面单极子天线,该天线具有良好的阻抗带宽特性和辐射方向图特性,但是此天线,由于其辐射单元和辐射地板的金属覆盖面积占天线总表面积的比例大,所以总雷达截面很大。对此天线做适当的修改,并将其作为参考天线,天线的结构尺寸如图1(a)所示。为了实现天线低雷达截面特性,必须对其进行改进。

图1 天线结构图

利用Ansoft HFSS仿真软件计算出天线工作时辐射单元上电流的分布,根据电流分布,我们对天线的辐射单元和辐射地板做适当的变形,以达到既能降低天线的金属覆盖面积又不影响天线的辐射性能的目的。变形后天线结构尺寸如图1(b)所示,辐射单元和辐射地板印制在介质板的同一侧,采用特性阻抗为50Ω的共面波导馈电,共面波导带线宽度为0.8 mm,缝隙宽度为0.2 mm。两个四分之一圆的半径为5.6 mm,中间大圆的半径为7 mm,下面两个小圆的半径为2 mm。参考天线和设计天线均印制在厚度为0.8 mm,介电常数为4.4的介质板上。

3.实验结果分析

图2给出了两天线VSWR的仿真结果,结果表明两天线同样具有VSWR＜2.0条件下2.5～20 GHz的超宽阻抗带宽特性。图3为设计天线VSWR仿真结果和测量结果,仿真与实测结果吻合良好,证明了仿真计算的准确性,略有差异的主要原因是天线样机加工精度和实际测量环境。

图4～6给出了参考天线(左)和设计天线(右)工作在3 GHz、8 GHz、10 GHz频率下,y-z面和x-y面的增益方向图(单位:d Bi)。从图中可看出设计天线与参考天线相比,具有相似的良好的超宽带方向图特性。

图7给出了参考天线与设计天线在2.0 GHz～20.0 GHz入射波照射下单站的天线结构模式项RCS。从图中可以看出,设计天线在此频带范围内的天线结构模式项RCS均小于参考天线,说明设计天线具有良好的RCS减缩效果。单站RCS均是基于入射和接收电场的极化方式为垂直极化(平行于x轴),入射方向为-z方向,散射方向为z方向的条件。

图8给出了设计天线终端接不同负载(开路负载、短路负载)时,在2～20 GHz入射波照射下的单站天线RCS。利用这两个模式的RCS可容易地计算出任意负载下的天线结构模式项RCS、天线模式项RCS和天线总RCS。从计算结果中可以看出,天线端接不同负载时的两条RCS曲线,在整个超宽带频带范围内,没有哪一条可以一直保持最大或最小,这点与普通的窄带天线不同。这种现象的主要原因是:与普通天线相比,超宽带天线具有很宽的工作频带,天线结构模式项散射场和天线模式项散射场之间相位差的动态变化很大。这种现象使得对超宽带天线的RCS控制变得更加困难,超宽带天线的RCS减缩技术应侧重于天线结构模式项RCS减缩。

图8 天线端接不同负载的RCS曲线

4.结 论

基于一种参考天线,设计了一种新型的低RCS超宽带微带贴片天线。该天线由辐射单元和辐射地板组成,以共面波导方式馈电,具有从2.5～20 GHz的超宽阻抗带宽和良好的方向图特性。与参考天线相比,设计天线具有更低的雷达截面,利于天线系统的隐身。最后以设计天线为例,分析了超宽带微带天线的散射特性,该研究将有助于深入理解超宽带天线的散射机理,为超宽带天线雷达截面减缩技术打下了良好的理论和实验基础。

[1] KNOTT E F,SHAEFFER J F,TULEY M T.Radar Cross Section[M].MA:Artech House,1993.

[2] HU S,CHEN H,LAW C L,SHEN Z.Backscattering cross section of ultrawideband antennas[J].Antennas Wireless Propag.Lett.,2007,6(1):70-73.

[3] 刘 英.天线雷达散射截面预估与减缩[D].西安:西安电子科技大学,2004.

LIU Ying.Prediction and reduction of antenna radar cross section[D].Xi'an:Xidian University,2004.(in Chinese)

[4] 马立东,刘忠铁.三维机翼前缘影区爬行波RCS研究[J].电波科学学报,2009,24(5):879-883.

MA Lidong,LIU Zhongtie.RCSof creeping wave for shadow region of wing leading edge[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(5):879-883.(in Chinese)

[5] 袁宏伟,龚书喜,张鹏飞,等.一种贴片阵列天线散射减缩的新技术[J].电波科学学报,2009,24(5):898-903+938.

YUAN Hongwei,GONG Shunxi,ZHANG Pengfei,et al.New technology for radar cross section reduction of patch array antenna[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(5):898-903+938.(in Chinese)

[6] 崔志伟,韩一平.电大尺寸开口腔体电磁散射的子结构法研究[J].电波科学学报,2009,24(5):914-919.

CUI Zhiwei,HAN Yiping.The substructure method for scattering by large open-ended cavities[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(5):914-919.(in Chinese)

[7] LIU Ying,GONG Shuxi,FU Demin.A novel model for analyzing for analyzing the RCS of microstrip antenna[C]//Proc.IEEE Antennas Propag.Soc.Int.Symp.,2003:22-27.

[8] KHAN S N.Low profile and compact size coplanar UWB antenna working from 2.8GHz to over 40GHz[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(2):408-411.