一种新型高增益低雷达散射截面微带天线

高 军， 袁子东， 曹祥玉， 杨吉明， 刘 涛， 杨欢欢

(空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710077)

频率选择表面(Frequency Selective Surfaces， FSS)是指由完全相同的单元沿一维或二维方向周期排列而成的无限大阵列[1]．它本身不吸收能量， 却能起到滤波的作用．频率选择表面通常有两种构成形式：一种是在金属屏上周期性排列的孔径单元，另一种是周期性排列的金属贴片单元．对于谐振条件下的入射电磁波， 这两种阵列分别呈现出全透射(孔径型)和全反射(贴片型)性．因其独特的性能， 近年来对其研究有增无减[2-3]，并在天线罩中得到了广泛应用[2-3]，在保护天线的同时，也降低了天线的带外雷达散射截面(Radar Cross Section， RCS)，但这些应用往往会影响天线的辐射性能．目前天线带内雷达散射截面减缩(如超材料吸波体[4-8])成为研究的难点和热点[9]．

微带天线具有剖面薄、体积小、重量轻、能与载体(如卫星、导弹等飞行器)的表面共形的优点，但其功率容量小、损耗(介质损耗和表面波损耗等)大，因此效率低、频带窄、增益低，从而大大减小了其应用范围．通常采用天线阵列、超材料基板[10]、覆层[11-16]来提高微带天线的增益，但会造成天线阵元之间耦合、带宽降低等负面影响．

图1 频率选择表面天线罩高增益微带天线

针对传统微带天线增益低、方向性差等缺点，笔者设计了一种双屏频率选择表面，并将其作为微带天线的天线罩，在提高天线增益和方向性的同时，还有效地减缩了天线带内、带外的雷达散射截面．

1 理论分析

1.1 幅相加权理论分析

采用射线理论进行分析[17-18]，如图1所示．由于频率选择表面的部分反射特性，微带天线辐射出的电磁波在频率选择表面与地面之间进行多次反射，最终向外辐射的电磁波可通过频率选择表面各单元部分透射的电磁波进行幅相加权求得．其中频率选择表面单元的相位差包含路径上的相位延迟和接地板反射的半波损耗，最终的辐射功率方向图可表示为

(1)

其中，h是天线罩与接地板间的距离，λ0是自由空间波长，R(θ) exp(jφ(θ))是频率选择表面反射系数的复数表示形式，φ(θ)是相位，F(θ)是原始天线的方向图函数，θ角如图1所示．

当各频率选择表面单元辐射的相位同相时，总辐射能量最大，即

其中，N=0，1，2，…；φ(0)为天线辐射电磁波的初相位．由于频率选择表面周期性结构有限，选取θ=0°．将式(2)带入式(1)，得

式(4)表明: 当反射系数接近于1时，天线增益将得到很大提高．当N增大时，天线的副瓣增大，因此高度h不易过大．可见，天线的增益与半功率宽度可通过高度h与反射系数R来优化．其中R与频率选择表面有关，h与天线的辐射频率有关．

图2 频率选择表面天线罩天线雷达散射截面减缩原理图

1.2 雷达散射截面减缩理论分析

如图2所示，设探测雷达波是沿z轴正向入射的平面波．时谐场在均匀媒质中的平面波具有exp(-j(ωt+k·r)) 形式．假定平面波的场是以下形式:

E(r)=E0exp(jk·r) ，H(r)=H0exp(jk·r) ,

(6)

其中，k是波矢，E0和H0分别是电场和磁场的振幅矢量．

入射平面波将在频率选择表面上产生反射和透射，相位差分别记为ψr和ψt，则反射波和透射波可表示为(因电场和磁场有相同的形式，下面只讨论电场)

Er(z)=Erexp(j(-kz+ψr))，Et(z)=Etexp(j(kz+ψt)) ．

(7)

对于天线的结构项散射，主要是天线罩天线的反射波和经微带天线接地板反射并透过频率选择表面的透射波．透射波Etn(z)可表示为

(8)

其中，n=1，2，3，…，表示经过天线接地板的n次反射；π表示金属平板对电磁波的半波损耗．

总的透射波Ett(z)为

(9)

因此，加载天线罩后天线的结构项散射波Es(z)为

Es(z)=Er(z)+Ett(z) ．

(10)

为了满足天线高增益的要求，Etn(z)具有2nπ的相位差．根据相位相消原理，适当调整Er(z)和Ett(z)的相位差，可有效地减小天线的结构项散射．

对于天线的模式项散射，只是平面波激励天线贴片的相位不同，因此这里不再进行公式推导．

综合以上分析可知: 适当地调整天线罩的高度h和对频率选择表面的合理设计，可在提高微带天线增益的同时，使天线的带内雷达散射截面得到有效减缩．

2 仿真与实验

2.1 天线罩结构设计与分析

笔者设计的天线罩是在介质板两侧周期刻蚀金属贴片而构成的3层式结构，如图3所示．上下两层金属贴片为斜十字形金属环，中间的介质板为Taconic TLY(tm)，相对介电常数εr=2.2，损耗角正切 tanδr=0.009．这样结构的设计(对称结构和双屏频率选择表面)可以使天线罩对于任意极化和不同入射角的入射波都能产生谐振，具有较好的稳定性．其他结构参数为: 单元周期W1=7.5 mm，斜十字形薄金属环宽度W2=0.8 mm，内径W3=5.6 mm，外径W4=6.6 mm，介质板厚度S=2 mm(约为 0.067λ，λ是 10 GHz 时的自由空间波长)．

图3 天线罩结构示意图

图4 双屏频率选择表面传输线等效模型

根据传输线理论，该结构可等效为如图4所示的传输线模型．当电磁波垂直入射到频率选择表面时，可等效为两层频率选择表面与介质板并联．ZR和η0分别表示介质板的特征阻抗和自由空间波阻抗，Z1、Y1和Z2、Y2分别表示上层和下层表面阻抗和导纳，则

(11)

下层频率选择表面与自由空间的并联阻抗Z3为

Z3=Z2η0/(Z2+η0) ．

(12)

最终得到的输入阻抗Z4为

(13)

当电磁波垂直入射时，反射系数R为

R=(Z4-η0)/(Z4+η0) ．

(14)

可以看出，适当地调节上下层频率选择表面的结构，可使Z4与η0相匹配，并使入射波全透射．

采用基于有限元法的Ansoft HFSS12软件进行仿真．利用master/slave边界和floquet端口，以一个结构单元模拟无限周期进行建模，如图3(c)所示．对于TE和TM极化，当入射角度不同时，仿真得到的S11曲线如图5所示．可以看出，在两种极化下，相同入射角的电磁波具有相同的谐振频点，且随入射角增大到60°，谐振频点向高频偏移(60°时偏移量为 530 MHz)．说明该结构对极化不敏感且有较宽的入射角特性．

图5 S11曲线随入射角的变化

图6 双屏频率选择表面的电场与电流分布图

图7 双屏频率选择表面的反射相位曲线

图6给出了当电磁波垂直入射时，天线罩上下表面在谐振频点的电场和电流分布．从频率选择表面贴片电场和电流分布可以看出：入射电磁波的电场分量在上层斜十字形金属环左右两侧产生了电偶极子响应[19](形成了两个电极)，这两个电极又与下层斜十字形金属环强烈地耦合，形成了LC的谐振回路，产生了电谐振；入射电磁波的磁场分量穿透上下两层金属，同时产生了水平方向的磁谐振[19]，从而在上下层金属的上下端激发出反向平行的电流．由于电谐振和磁谐振同频产生，使得入射的电磁波几乎能够全部透过天线罩．图7为电磁波垂直入射时天线罩的反射相位．当 8.4 GHz

2.2 天线的辐射性能

利用设计好的频率选择表面作为微带天线的天线罩．微带天线的结构参数如下: 长度为 9 mm，宽度为 11.8 mm，同轴线馈电点偏离中心的距离为 3.1 mm，中心频率为 10 GHz．

图8给出了原始天线和不同高度h的S11仿真曲线．可以看出，天线罩的加载对天线带宽有一定的影响．当天线罩高度h=15 mm 时，S11谐振最深，达到了 -48.5 dB，此时天线的工作频段为 9.5～ 10.6 GHz，与原始天线频带一样．图9和图10给出了加载天线罩前后E面和H面方向图．可以看出，相比初始天线，加载天线罩后天线的增益都明显提高了．表1给出了不同高度下 10 GHz 时天线的辐射性能仿真结果．图11是两天线在 10 GHz 时的表面电场分布．可以看出，加载天线罩后，相当于天线的辐射口径增大，则相应的天线的方向性必然提高．这一结果证实了预测分析的正确性．

图8 加载天线罩前后S11曲线图9 加载天线罩前后E面方向图

图10 加载天线罩前后H面方向图

为了验证仿真结果，加工了天线实物，如图12所示．利用AgilentN5230C矢量网络分析仪和远场测量法，在高度h=9 mm (综合天线增益和雷达散射截面减缩效果，选择h=9 mm) 时进行了测量．测量的S11曲线、E面和H面方向图分别如图13～15所示．实验结果表明：相比初始天线，覆层天线最大增益提高了 5.49 dB，与仿真结果的 5.7 dB 只有 0.21 dB 偏差；E、H面半功率主瓣宽度分别减小了63°和52°．实验结果进一步证实了设计的正确性．

表1 天线的辐射性能仿真结果

图11 加载天线罩前后天线电场分布图

2.3 天线的散射性能

分别用TE和TM极化的平面波照射天线，图16给出了不同高度时法线方向的雷达散射截面曲线．可以看出，在不同高度时带内和带外雷达散射截面都得到了减缩．当高度为 9 mm 时，2～ 18 GHz 的频带范围(除 4 GHz 和 15 GHz 附近)雷达散射截面都有 5 dB 以上的减缩，其中带内最大减缩为 8.73 dB (9.8 GHz) ．图17给出了在 9.8 GHz、10 GHz 和 10.2 GHz 时不同角度照射加载前后天线的雷达散射截面结果．从图中结果可以看出，加载天线罩后天线的法线方向雷达散射截面减缩明显．当频率为 10.2 GHz 时，两种极化下雷达散射截面最大减缩分别达到了 7.94 dB 和 20.94 dB，且对TE和TM极化，雷达散射截面在 -23°～ 23°都得到了明显的减缩，加载天线罩后雷达散射截面在 -55°～ -23° 和 23°～ 55°，明显大于原天线．雷达散射截面减缩效果验证了加载天线罩后天线带内雷达散射截面减缩的理论分析．

图12 加载天线罩前后天线实物图图13 实测S11曲线

图14 加载天线罩前后实测E面方向图图15 加载天线罩前后实测H面方向图

图16 天线雷达散射截面扫频对比

图17 天线雷达散射截面扫角对比

由于实验条件所限，为验证覆层天线雷达散射截面减缩效果，只能通过工作频段为 8.2～ 12.4 GHz 的单个宽带喇叭天线(如图18所示)得到反射损耗曲线．测量了h=9 mm 时在TE极化下原始天线和加载天线罩后天线对垂直入射波的反射损耗曲线，矢量网络分析仪为Agilent N5230C．由理论分析可知，尽管带外的天线模式项散射场较小，但为了说明设计天线结构项散射场的减缩效果，实验中对待测天线均加载了匹配负载．为了提高测量系统的精度(考虑到天线整体尺寸较小)，把贴片天线放置在距喇叭天线口 1 m 处，此时入射波可近似看做平面波．从图19中的测量结果可以看到，与原始天线相比，加载天线罩后天线的反射损耗在 8～ 12 GHz 的频段范围内均有下降，尤其是在 10 GHz 的天线工作频带附近，反射率的减小量都超过了 5 dB，且测试结果与仿真得到的天线雷达散射截面减缩效果(图16)基本一致．说明加载天线罩后在工作频带内确实表现出良好的雷达散射截面减缩效果，验证了设计方法的有效性．

图18 雷达散射截面实验测试图图19 实测反射损耗曲线

3 结 束 语

笔者设计了一种双屏频率选择表面，并将这种材料应用于微带天线．通过射线理论和相位相消原理，对加载天线罩后的微带天线进行了理论分析．结果表明：加载天线罩后的微带天线，在带宽没有受到影响的情况下，方向性和增益得到提高；同时，带内和带外雷达散射截面得到了有效减缩，在带内TE和TM极化最大减缩分别达到了 7.94 dB 和 20.94 dB．笔者的研究对于提高天线的增益和带内雷达散射截面减缩有一定的借鉴作用．

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