Vivaldi天线模式项散射特性仿真分析

熊 波，李湉雨

（海军航空大学，山东 烟台 264001）

当电磁波照射到天线上时，天线的雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）由2部分构成：天线结构项散射和天线模式项散射。结构项散射是指在匹配状态下，天线接收到的电磁波功率只有一半进入到接收机，其余均被散射掉；如果天线阻抗不匹配，进入接收机的功率会有一部分被反射回来，这就是天线的模式项散射。天线模式项散射一般与天线的增益、极化状态和馈源匹配状况有关。在天线的主瓣方向上，天线RCS 主要由模式项散射产生；在天线的副瓣方向上，天线RCS主要由结构项散射产生。深入研究和精确分析天线的电磁散射特性对于控制和缩减天线RCS具有重要意义。

大部分文献采用天线方向图和天线反射系数的结合对模式项散射进行近似计算。近似算法认为天线的二次散射和负载消耗的功率之和是不变的，因此，二次散射的大小可以根据天线反射系数进行计算。事实上，由于在不同的阻抗匹配条件下，天线上消耗的功率不同，因此，二次散射功率和负载消耗的功率之和也是变化的，近似算法会产生一定的误差。

本文提出采用CST-MATLAB 联合仿真的方法对天线的模式项进行求解。首先，通过CST电磁场仿真软件计算得到天线在阻抗匹配和阻抗失配条件下的电场强度和RCS；再通过后处理将数据导入到MATLAB，计算得到天线的模式项散射。

1 天线模式项散射

天线在电磁波的照射下，其散射场由2 部分组成：

式（3）中：为单位立体角内反射的电磁波功率；S为入射的平面波功率密度。

通过电磁场仿真软件可以很容易求出天线的电场和RCS，根据定义即可求出模式项RCS。假设球坐标系下，天线散射的电场分解为a、a方向，在阻抗匹配状态下测得某个位置的电场为ea+Eea。对于a方向极化的电磁波，其RCS 为；对于a方向极化的电磁波，其RCS 为。同样，天线在阻抗不匹配状态下测得该位置的电场为ea+Eea。

模式项RCS的极化分量可求解如下：

总的模式项RCS为：

2 计算机仿真

设计1～6 GHz 频率范围的宽带Vivaldi天线模型，如图1所示。

图1 Vivaldi天线模型Fig.1 Model of the Vivaldi antenna

天线反射系数，如图2所示。

图2 天线反射系数Fig.2 Antenna reflection coefficient

从天线参数可以看出，该天线在1～6 GHz 范围内阻抗匹配良好。在3 GHz 频点，=-25 dB，匹配情况非常好，因此，选择3 GHz 进行分析。

天线方向图，如图3所示。

图3 天线方向图Fig.3 Direction diagram of the antenna

在阻抗匹配状态下，采用极化匹配的平面波进行照射，仿真得到天线结构项散射，如图4所示。

从图4可看出，天线RCS最大约为0.25 m。天线散射主要为前向散射，后向散射非常小，这也是Vivaldi天线可以作为隐身天线的原因。

图4 3 GHz 的天线结构项RCSFig.4 Structural RCS of the antenna at 3 GHz frequency

天线在1 m 距离上的电场分布，如图5所示。

图5 天线电场分布Fig.5 Electric field distribution of the antenna

天线在开路状态下仿真得到天线RCS，如图6 所示。

图6 开路状态下天线RCSFig.6 RCS of the antenna in the open circuit

可以看出，在开路状态下，天线具有非常大的后向散射，这正是由天线的二次辐射造成的。

天线在1 m 距离上的电场分布，如图7所示。

图7 开路状态下天线电场分布Fig.7 Electrical field distribution of the antenna in the open circuit

将仿真数据通过后处理导入MATLAB进行处理，得到开路状态下天线模式项RCS，如图8所示。

图8 天线端口开路状态下的模式项RCSFig.8 Mode RCS of the antenna in the open circuit

从图8 可以看出，天线模式项散射主要以后向散射为主，最大为0.085 m。对比图3、图8可以发现，天线模式项散射与天线方向图非常吻合。

在天线阻抗不完全匹配的情况下，端口为-6 dB，模式项RCS，如图9所示。

图9 天线端口不完全匹配状态下的天线模式项RCSFig.9 Mode RCS of the antenna in mismatch state

对比图8、图9 可以看出，天线模式项散射的分布非常相似，但是数值不同。不完全匹配状态下的模式项RCS 最大值为0.025 m，开路状态下的模式项RCS最大值为0.085 m，可计算得到反射系数-5.3 dB，与端口的参数-6 dB 比较，略有差异。其根本原因是由于在不同的阻抗条件下，天线的二次辐射并不相同，若按照近似算法进行计算，就会产生一定的误差。

3 结论

本文通过CST-MATLAB 联合仿真的方法求解出Vivaldi 天线在开路状态和不完全匹配状态下的模式项RCS，结果与天线方向图非常吻合，符合天线模式项散射的物理意义，证明本文的方法是正确的。通过对不完全匹配状态下的模式项RCS 与开路状态下的模式项RCS的比较，指出了近似算法存在误差的原因是由于在不同的阻抗条件下，天线的二次辐射并不相同，而采用本文的方法能得到精确的计算结果，因此，该方法可以在天线散射特性分析、天线隐身设计等领域广泛应用。