弹载微带天线的有源对消分析及实验研究

鞠昊宸，莫锦军

（1.中南大学航空航天学院，湖南长沙，410083；2.桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林,541004）

0 引言

现代战争中雷达是探测目标最主要的技术手段之一，所以当前的隐身技术研究将以目标的雷达特征信号控制为重点：当采用一定的方法和手段，有效地降低探测雷达的接收功率、减小雷达对目标的最大作用距离，隐身技术得以实现，也就是说达到目标对探测雷达隐身的目的[1]。

现代雷达的电磁隐身技术包括无源隐身和有源隐身技术两大类[2]。无源隐身技术主要包括整形法、涂敷吸波材料（RAM）等方法，它发展迅速，效果显著。但是随着低频雷达（如米波雷达）在电子信息战中越来越广泛的应用，无源隐身技术开始出现难以解决的问题：比如吸波材料无法完全吸收掉低频雷达信号，吸波材料和吸波涂料价格过于昂贵等等。

与此同时，随着雷达相控技术和计算机技术的飞速发展，有源隐身技术逐步映入人们的视野当中。有源隐身在解决低频雷达探测问题中有着巨大的优势，它几乎能适应任何形状的被保护目标[3]，例如舰船、航空器、航天器等，其使用不涉及平台外形和结构的变动，特别适合对现有平台进行加装和运载，同时有源隐身技术被期待着具有功率较小，性比价高等优点的良好应用前景。

本文针对P波段（420Hz—450Hz）的弹头目标的隐身需求，以及微带天线本身低剖面易小型化易共形的特点，设计了一种共形于锥形弹头的微带共形天线模型，通过天线发射波与弹头散射波的相干叠加进行主动对消仿真，在此基础上开展降低弹头侧面RCS达到隐身效果的研究。

1 有源对消的基本原理

雷达对目标的探测是建立在目标的电磁散射特性的基础上的。雷达反射截面（RCS）就是对目标在一定方向上反射的功率与入射的功率密度进行归一化处理后得出的度量，这就决定了雷达反射截面的大小与雷达到目标的距离无关。雷达反射截面的数学表达式为[4]

从理论来看，目标在不同方向上的RCS数值可以通过测量精准的得到，而雷达入射场可以由平台上的传感器测得，这样可以将公式（1）适当推导，得到目标在探测雷达方向上的散射场，为：

由此可知，在雷达方向上与散射场相同振幅频率相反相位的场总是可以产生出来的。有源对消隐身技术的理论基础得以成立[5]。

对消式有源隐身的原理为：需要保护的目标上装载的有源设备也就是对消装置，在接到探测雷达的入射波信号时，实时的主动生成并发射一个对消波，这个对消波和目标自身实际的散射回波在空间中相互抵消，使得探测雷达的接收天线接收不到回波信号，从而实现被保护目标对探测雷达的隐身目的。其中，主动发射的对消波，要求和目标在该入射方向上的散射回波有相同的频率、幅度同时还有相反的相位[6]。原理图如图1所示。

图1 有源隐身原理框图

2 有源对消实验模型设计

2.1 弹头目标模型建立

设计合适的天线安装在锥形弹头的合适位置，通过天线发射波与锥形弹头散射波的相干迭加，获得锥形弹头侧面RCS下降10dB以上的隐身效果。取雷达中心频率435MHz，锥形弹头长约1.7米，底半径0.25米。图2为锥形弹头的三维模型。采用矩量法计算其在435MHz平面波照射下的单站RCS，结果如图3所示。将入射角垂直于锥面的方向设为0度角，直观起见，此角度形成了一个强散射峰。

图2 锥形弹头模型示意图

图3 平面波激励的弹头单站RCS

2.2 天线—目标结合体模型建立

为实现锥体侧面散射的对消，设计微带天线与弹头相结合的组合体，如图4所示。因为目标是旋转对称体，且考虑微带天线的波束宽度在90-120度之间，可用4个天线实现四周空域的全履盖。因为P波段的频率较低，天线与目标结合后会因耦合而产生方向图畸变，增大了弹头方向和侧向的强散射。方向图畸变如图5所示。

图4 微带天线—弹头组合体

图5 矩形微带天线组合体方向图

为此设计了一种与锥形弹头共形的微带天线，如图6所示。在不明显影响弹头侧向散射的情况下，进行有源对消隐身实验。图7是共形微带天线与弹头结合后的方向图，图8为其增益。为方便分析和验证有源对消原理及效果，先将1个微带共形天线与目标结合，进行仿真实验验证。

图6 微带共形天线方向图

图7 微带共形天线与弹头结合体方向图

图8 微带共形天线增益

3 有源对消效果的仿真分析

本文设置了平面波源和微带共形天线原有的端口源一起构成双激励。先后计算在单位幅度和0相位激励情况下，平面波源和端口源单独生效的辐射场。根据辐射场的计算结果，调整微带天线端口源的幅度，以及相位，同时生效平面波源和端口源的激励，通过计算，得到目标对消的后向散射方向的RCS，验证对消效果。

3.1 垂直入射

图9为平面波源从0度方向垂直入射天线目标结合体所得到的对消后目标3D双站RCS，可以看出在入射波方向达到零陷，对消效果显著。图10为0度垂直入射的有源对消前后的目标RCS对比图，可以非常直观的看到在入射方向上，基于有源对消原理的隐身效果收效甚好。

图9 垂直入射对消后的目标双站RCS

图10 0°对消前后的RCS对比

3.2 斜入射仿真分析

图11给出不同的平面波入射方向所对应的后向散射RCS，图形为方位角φ为0°时，入射角θ分别对应为：2°，4°，6°，8°，10°和12°。黑色实线代表有源对消前，组合体目标的RCS，红色虚线代表有源对消之后的目标体的RCS，通过计算得到。相应入射角度RCS分别降低83dB，79dB，95dB，87dB，85dB和75dB。可以看出经过微带天线的在特定方向的主动对消，对消效果显著，与此同时，也没有明显增大共形天线和弹头结合体在其他角度的RCS。

图11 不同入射角下的目标RCS

4 结论

本文基于弹头目标的设计需求，设计了可以共形于弹头表面的微带天线，并针对锥形弹头与天线的组合体模型进行了有源对消的仿真，仿真实验结果表明在给定方向上微带天线的主动对消效果显著，使得在入射方向上，目标侧向RCS平均下降85.8dB，大大超过实验预期。同时根据结果可知，在其他散射方向上目标的RCS没有显著增大，为弹头安装天线实行有源对消的实验项目增加了理论基础。