基于辐射散射一体化技术的低RCS贴片天线阵列设计

郝 彪, 杨宾锋, 高 军, 曹祥玉, 杨欢欢, 李 桐

(空军工程大学信息与导航学院，西安，710077)

随着战争形态的不断升级，世界各国对武器装备隐身特性的要求也越来越高。天线作为无线通信设备中的重要组成部分，因其特殊作用往往会引起较大的雷达反射截面(Radar Cross Section, RCS)，直接降低武器装备在战场的生存性[1]。因此，设计出低RCS天线对现代军事装备发展具有重要意义。

近些年，电磁超材料(Metamaterial，MTM)的蓬勃发展，为降低天线RCS提供了新方向。电磁超材料多指自然界中不存在，具有特殊电磁特性的人造亚波长周期结构[2]。几个主要的研究方向有频率选择表面[3-4]、人工磁导体[5-7]、完美吸波体[8-9]、极化旋转表面等[10-12]。但是，传统方法将超材料单元与天线单元分别设计，而后按一定排列方式组合在一起，这样往往会增大天线口径，而且对天线原本的辐射性能产生影响。因此，通过“散射体参与辐射”的思想，将具有人工磁导体特性的贴片接上馈电，利用2种人工磁导体相位相差180°的特点，得到同时具有辐射特性和低RCS的天线阵列[13]。文献[14]利用磁电偶极于天线与周围金属地之间的相位差，使天线阵在x极化和y极化的6 dB减缩频带分别为5.3～11.9 GHz 和9.1～12.0 GHz。文献[15]利用2种大小不同的方形贴片天线，通过相位对消进行RCS减缩，同时2种单元分别在其所在频段独立工作。文献[16]与文献[17]都设计了2种工作频段相近，反射相位相差180°的2种贴片天线单元，天线阵列的RCS得到了明显降低，同时所有阵元可以工作在相同频段。上述文献均通过结合天线的反射相位来降低RCS，且整体功能也愈加完备。因此，将超材料充当辐射体设计低RCS阵列天线成为了当前热点研究方向。

本文提出并设计了一种基于辐射散射一体化技术的低RCS贴片天线阵列，该天线阵列在9.5～11.5 GHz频段内，仿真增益稳定在16 dBi以上。利用遗传算法优化排布结构，使散射场呈现一种漫散射形态，降低了天线阵列在整个空间散射场的RCS峰值。法线方向上x极化波照射时，单站RCS在8～15.9 GHz有所降低，其最大减缩量达17.1 dB；y极化波照射时，单站RCS在9.5～16 GHz有所降低，最大减缩量为13.1 dB。

1 理论分析

通过利用2种天线单元表面之间的反射相位差，使2种天线单元产生的反射波达到等幅反相的条件，进而使天线阵的RCS得到减缩。

设2种天线被入射波照射后，产生的等幅的表面电场，大小为A，电场反射相位分别为φ1和φ2，

则反射波产生的总场强为：

E=Aejφ1F1+Aejφ2F2

(1)

式中：F1和F2是2种单元结构的阵因子。

F1=ej(kx+ky)d/2+ej(-kx-ky)d/2

(2)

F2=ej(kx-ky)d/2+ej(-kx+ky)d/2

(3)

x=sinθcosφ

(4)

y=sinθsinφ

(5)

式中：θ和φ为入射波分别与水平面与垂直面的夹角，k=2π/λ，d为2种天线单元中心间距。

当垂直入射时，θ与φ为0°，此时F1和F2的值为2，则式(1)可化为：

E=2A(ejφ1+ejφ2)

(6)

若2种天线单元的反射相位相同，设其反射场为E0，则：

E0=4Aejφ1

(7)

如果要求RCS减小的能量达10 dB，则有：

|E|2/|E0|2≤-10 dB

(8)

将式(6)、(7)带入式(8)中，得到：

cos (φ1-φ2)≤-0.8

(9)

解得：

143°≤|φ1-φ2|≤217°

(10)

所以理论上讲，当垂直入射时，2种天线单元的反射相位若能满足式(10)，则天线阵相较于同等面积的金属板其RCS减缩可达10 dB。因此，一般将在143°～217°范围内的相位差称为有效相位差[18-19]。

2 贴片单元设计与仿真结果

天线阵列由2种天线单元构成，结构如图1所示，尺寸参数如表1所示。2种天线的基本结构相似，二者介质板的介电常数为2.2，都采用L型探针对贴片进行激励，下方焊接50 Ω 的SMA连接器为其馈电，金属地上刻有矩形槽。

图1 2种天线单元结构图

表1 天线尺寸参数 mm

2种天线单元的|S11|及增益仿真曲线如图2所示。单元A的-10 dB带宽为9.1～11.7 GHz，单元B的-10 dB带宽为8.8～11.2 GHz，共同带宽为9.1～11.2 GHz。在其共同的频带下，2种天线单元的增益均在6 dBi以上。2种天线单元的辐射方向图如图3所示，二者方向图相似度较高，且交叉极化小，在天线阵辐射过程中，可看作相同阵元。

图2 天线单元|S11|及增益曲线

图3 天线单元辐射方向图

2种天线单元的散射特性如图4所示，当x极化波垂直照射2种天线单元时，反射幅度保持在0 dB附近，天线不会吸收来波，组成阵列后RCS缩减靠在11.5 GHz附近的相位对消实现。当y极化波垂直入射时，反射幅度在9～12.5 GHz时小于-3 dB，可以对入射波进行一定程度的吸收，从而减小天线RCS，同时在14 GHz附近可利用2种单元存在180°的有效相位差来减缩天线的RCS。

图4 天线单元的散射特性

3 低RCS天线阵列设计与仿真

根据2种天线单元具有相似辐射特性，可以将其组合成为4×4天线阵。同时根据2种天线单元的反射特性，组成阵列后其RCS相比同频段4×4参考天线阵更低，参考天线阵结构如图5 (a)所示。按照传统的棋盘排布方式，垂直入射时，利用相位对消原理将法线方向的RCS进行减缩，对于其他方向仍能造成一些较大的散射峰。依据编码超材料理论，采用非周期的编码排布方式可使超材料产生不规则的反射，达到一种漫散射效果，使散射能量分布更加均匀，从而降低阵列的峰值RCS。

遗传算法可高效地计算出使阵列峰值RCS最小时的单元排布方式。2种天线单元在11 GHz时，x极化波垂直入射时反射相位差在有效相位差内，为了对x极化时降低天线峰值RCS，选取11 GHz作为遗传算法优化非周期排布的频率参数。最终得到设计天线阵如图5 (b)所示。

图5 天线阵列

对天线阵中所有单元等幅同相馈电，仿真增益曲线如图6所示，设计天线阵的增益稳定在16 dBi以上，且高于参考天线阵的增益值。设计天线阵辐射方向图的仿真结果如图7所示，天线阵的副瓣较小，辐射方向性较强，且交叉极化总体保持在较低水平。仿真表明该天线阵总体辐射性能良好。

图6 天线阵列增益仿真曲线

图7 设计天线阵列辐射方向图

对天线阵的散射特性进行仿真，当电磁波垂直照射时，其单站RCS特性曲线如图8所示。可以看出，相比于参考天线阵，设计天线阵的RCS值减缩明显，当x极化波照射时，RCS减缩带宽为8～15.9 GHz，最大减缩量为17.1 dB，主要由2种天线单元的反射波相互抵消所致；当y极化波照射时，RCS减缩带宽为9.5～16 GHz，最大减缩量为13.1 dB，由2种天线单元对来波的吸收和反射波相互抵消共同作用所致。

图8 天线阵法线方向上单站RCS特性

由于采用非周期编码，RCS并不只考虑在法线方向上的减缩，而是对整个空间全盘考虑，使其RCS峰值最小，对11 GHz时天线阵的三维散射场如图9所示。

x极化波照射下，设计天线阵的峰值RCS为-15.5 dBsm，相较于棋盘式天线阵，其整个散射场在空间中的分布比较均匀，RCS峰值明显低于棋盘式天线阵；y极化波照射下，其与棋盘式天线阵的散射场都较为均匀的分布在整个空间中，但总体来看，其RCS峰值仍比棋盘式天线阵低。

为更好说明本文设计天线阵的特点，现将所做工作与文献[15～17]进行对比，结果如表2所示。本文采用不同于其他文献非周期布阵方式，因而出现了漫散射现象，同时具备了良好的辐射性能。

表2 本文与文献[15～17]所设计天线阵性能对比

4 天线阵列加工与测试

为验证所设计天线阵列的性能，对其结构进行软件仿真并进行实际样品的测试，实际天线及测试环境如图10所示。

图10 天线阵列实测

设计天线阵的实测增益曲线如图11所示，实测结果较仿真整体略有降低，但随频率增加而升高的趋势不变。个别频点实测增益大于仿真增益，可能是由实物阵列在该点处|S11|要低于仿真值导致。设计天线阵的实测方向图如图12所示，可以看出实测结果与仿真结构拟合较好。

图11 设计天线阵的增益曲线

图12 设计天线阵辐射方向图

实测天线阵列在法线方向上的单站RCS减缩曲线如图13所示。从实测结果来看，减缩频段往高频偏了约100 MHz，有可能由于加工误差以及装配误差导致，整体上与仿真结果相吻合。在对阵列4角打固定孔后进行后仿真实验，发现RCS曲线向右频移了约50 MHz，是该误差的主要来源。

图13 天线阵法线方向上单站RCS特性

5 结论

本文设计了一种基于辐射散射一体化技术的低RCS贴片天线阵列，通过将具有相似辐射特性而在特定频段反射相位相差180°的2种天线单元按4×4方式组阵。利用遗传算法高效寻找出能使天线阵列RCS峰值最低的非周期排布方式，使天线阵列达到漫反射效果。天线阵列具有良好辐射特性，方向图良好并且副瓣较低，增益较参考天线阵有所提高且稳定在16 dBi以上。天线阵同时具有低RCS特性，相较参考天线阵，入射波为x极化与y极化时，RCS分别在8～15.9 GHz与9.5～16 GHz有所减缩，最大减缩量分别为17.1 dB和13.1 dB；在x极化波入射时，非周期的排布方式使其较传统的棋盘布阵方式散射场分布更加均匀，峰值RCS也更小。该天线阵无需在周围利用其他超材料来帮助其减小RCS，有效的控制了阵列的口径。该低RCS天线阵列设计方法不同于传统方法，为直接设计低RCS天线阵提供了一个新的思路，具有一定的研究价值。