一种具有增益改善的低散射缝隙天线设计

姚 旭 曹祥玉 高 军 杨欢欢 赵 一

（空军工程大学电讯工程学院，陕西 西安710077）

引 言

随着探测技术和隐身技术的发展，平台目标的雷达散射截面（RCS）减缩具有重大的军事意义。平台上天线系统的RCS已成为制约平台隐身的瓶颈，天线作为一种特殊的散射体，在减缩其RCS的同时还必须满足天线最基本的辐射需求，这使得对天线散射控制变得非常困难。为此，一些新结构及新材料被用于天线的设计以及抑制天线的散射［1－3］。通过加载频率选择表面结构可以实现天线带外RCS减缩［4－6］。因此在保持天线工作性能的同时实现带内RCS减缩更具有研究意义。文献［7］提出了由人工磁导体（AMC）外加集总电阻构成吸波结构，将其应用于微带天线，降低了带内RCS，但增益下降0.9 dB.最近，文献［8］报道了一种用于RCS减缩目的的棋盘型结构表面，由人工磁导体（AMC）和理想电导体（PEC）复合而成，其基本原理是利用AMC和PEC两部分的电磁反射相互抵消，形成了后向的反射零陷，由于未引入损耗材料，因此能量没有被吸收而被反射到其它方向。在此基础上文献［9］将AMC和PEC的环形复合表面应用到波导缝隙天线设计中，同时实现了天线增益和RCS的改善。

通过理论分析、优化设计，设计出最合适的AMC＋PEC棋盘表面排布形式的缝隙天线，实现了缝隙天线增益提高和带内RCS减缩。测试结果表明：波导缝隙天线引入文中的棋盘型复合表面能够在天线的工作频带内实现很好的RCS减缩效果，同时天线辐射特性得到最大程度的改善。

1 加载棋盘复合表面的缝隙天线

1.1 棋盘复合表面散射特性分析

由PEC和理想磁导体（PMC）组合的2×2阵列表面，如图1所示。当入射波垂直入射在阵列上时，可以近似认为其表面产生幅度相等的表面电流，只是相位相反，两种结构等效的辐射场可以表示为［8］

图1 棋盘型结构示意图

式中：EPMC和EPEC分别为PMC和PEC结构等效的辐射场；A为表面产生的幅度；phase1和phase2分别是PMC和PEC结构的反射相位。phase1≈0°，phase2≈180°.

等效的辐射总场可以表示为

AF1和AF2为阵列参数，分别为

由式（3）～（5）可知，当平面波垂直入射到棋盘结构上时，由于反射场的相位相干，在某些角域反射能量会变小，在某些角域反射能量会增加，从而可达到改变散射特性的目的。从式（5）可以看出，棋盘结构散射场的特性与PMC和PEC周期大小有关，也与其阵列因素有关，即PMC和PEC结构的排列结构。

1.2 加载棋盘复合表面的缝隙天线

图2 加载棋盘复合表面的缝隙天线

PMC通过无过孔的AMC周期结构实现［10］。AMC结构参数如下：金属贴片大小为8.2mm，周期为8.4mm，介质板厚度为2mm，介电常数为2.65.采用HFSS12的Floquet端口，结合主从边界模拟无限周期进行仿真，可以得到在电磁波垂直入射条件下AMC的反射相位，如图3.从仿真结果可以看出，AMC结构反射相位在±90°以内的频段为5.02～6.34GHz，在5.64GHz反射相位为0，说明该结构在此频率对于垂直入射波为理想磁导体。

图3 AMC单元的反射相位曲线

图4给出加载不同形式复合表面的缝隙天线结构，其中图4（a）为金属表面的原始缝隙天线结构，图4（b）和图4（c）为加载两种不同形式棋盘型表面的天线结构，图4（d）为文献［9］中加载环形复合表面的天线结构。对加载四种不同形式复合表面的缝隙天线进行辐射特性仿真分析比较，其反射系数和增益曲线，如图5和6所示。仿真结果表明，三种天线的S11曲线变化不大，增益曲线有着明显的差异，增益按从小到大依次为（a）（d）（c）（b）。其中结构（b）的增益改善效果最佳，增益提高7dB.

图7给出了金属表面的原始天线［图4（a）］和加载棋盘型表面天线［图4（b）］的电场分布图比较。从图中可以看出，原始金属天线可以看作一个磁偶极子，电场沿着垂直于缝隙方向传播，如图7（a）.将部分金属用AMC代替后，在天线的工作频率上，AMC贴片产生了谐振现象，如图7（b）所示。此时的天线相当于一个3元直线阵列，由一个位于中间主辐射单元，和两边的次辐射单元组成。这揭示了图4（b）天线增益发生较大变化的原因［11－12］。

2 实验结果分析

通过印制板技术加工金属表面（PEC surface，PS）原始天线样机［图4（a）］和棋盘型表面（CS）天线样机［图4（b）］。图8给出了两天线的S11的实际测试结果，测试采用Agilent N5230C网络分析仪。实测结果表明加载前后其带宽（S11≤－10dB）由原来的5.5% （5.54～5.85GHz）增加到6.5% （5.51～5.88GHz），并且其谐振频率均不发生变化为5.66GHz.在微波暗室中对两天线的辐射方向图进行了测试，如图9所示。图10给出了两天线的辐射方向图的实际测试结果。实测结果表明加载前后E面和H面增益由原来的3.68dBi提高到8.81 dBi，增益提高5.1dB .图11给出了5.2～6GHz的垂直入射下RCS扫频结果，RCS缩减－10dB带宽为5.47～5.8GHz，在5.64GHz时RCS达到最大减缩量为34.2dB.图12给出了5.64GHz的后向散射方向图。

从实测结果可以得出下面结论，采用棋盘型表面的缝隙天线与原始全金属表面缝隙天线相比，其相对带宽可以提高1%，增益提高5.1dB.在垂直入射的情况下，天线工作频带范围内的RCS可以减缩8dB以上，最大可以缩减量为34.2dB.

图8 棋盘型表面天线和原始天线S11测试结果

3 结 论

基于次辐射源和相位对消原理，设计了一种低雷达散射截面的缝隙天线。利用人工磁导体和理想电导体组成的棋盘型复合表面代替金属表面，从而使天线同时具有增益改善和低雷达散射截面特性。本文提出的棋盘型辐射单元结构有利于天线同时实现较高增益和低雷达散射截面特性，为低雷达散射截面积天线设计提供了新的思路。

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