微帶天線RCS的非全時(shí)減縮

1、微帶天線RCS的非全時(shí)減縮             微帶天線RCS的非全時(shí)減縮楊慧杰龔書(shū)喜（西安電子科技大學(xué)天線與電磁散射研究所，西安 710071）摘要：通過(guò)分析微帶天線輻射和散射機(jī)理之間內(nèi)在的聯(lián)系，本文給出了統(tǒng)一的電路模型，利用該模型指出了RCS減縮和天線性能之間的矛盾，最后引出微帶天線RCS非全時(shí)減縮的概念，并給出了兩種簡(jiǎn)單而有效的方案。關(guān)鍵詞：微帶天線， RCS減縮， 電路模型RCS Reduction Technique out of Operation of Mi

2、crostrip Antennas Yang Huijie, Gong Shuxi(Institute of Antenna and EM Scattering, Xidian University, Xian 710071)Abstract:By an analysis of radiation and scattering mechanism of microstrip antennas, a unified circuit model is derived, on the base of which the contradiction of RCS reduction and anten

3、na operation is showed, finally the idea of RCS reduction out of operation is introduced and two simple and effective techniques are also givenKey words:Microstrip antenna, RCS reduction, Circuit model引言在電子戰(zhàn)與信息戰(zhàn)飛速發(fā)展的今天，一些國(guó)家已建立了地面、艦艇、機(jī)載和星載的一體化情報(bào)偵察體系，其偵察頻帶擴(kuò)展到0.540GHz，覆蓋了絕大多數(shù)的天線設(shè)備。如何降低天線的雷達(dá)散射截面、使天線系統(tǒng)免受

4、電子干擾、免遭敵方雷達(dá)的探測(cè)和攻擊而有效地工作，不僅關(guān)系到天線系統(tǒng)的生命力，而且影響到其載體的電磁隱身性能，影響著天線載體的生存。因此，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)低雷達(dá)截面的機(jī)載天線系統(tǒng)具有十分重要的意義。而微帶天線有尺寸小、重量輕、成本低、易于掃描，并能與飛行器共形等許多優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越受到人們的重視，其用作飛行器低RCS（雷達(dá)截面）天線的前景十分廣闊。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在如何降低微帶天線RCS這一方面做了許多研究工作，并提出了一些方案1，但這些方案都是以犧牲天線性能或者增加成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性為代價(jià)的；本文首先利用電路模型直觀地解釋了RCS減縮和天線輻射性能之間的矛盾，然后提出了非全時(shí)減縮的概念，并給出了兩種實(shí)際

5、的設(shè)計(jì)方案，從而在簡(jiǎn)單有效的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了天線在非工作時(shí)段的RCS減縮，有效降低了天線受敵方雷達(dá)威脅的程度。1微帶天線輻射和散射的電路模型無(wú)論是微帶天線的輻射場(chǎng)還是散射場(chǎng)，均來(lái)自于貼片表面的感應(yīng)電流。我們總可以把貼片上的感應(yīng)電流展開(kāi)為按照腔模理論，我們可以選擇磁壁諧振腔的各階諧振模式作為基函數(shù)。對(duì)于x極化電流，坐標(biāo)如圖1所示。式（1）（3）對(duì)于輻射和散射都是適用的，只取決于貼片的尺寸。由式（1），散射場(chǎng)可表示為其中，En表示第n個(gè)模式電流Jn產(chǎn)生的散射場(chǎng)。由邊界條件得把式（4）代入式（5），并選擇權(quán)函數(shù)Jm作用于等式兩邊，得， 其中，Ei表示激勵(lì)場(chǎng)，它對(duì)于輻射和散射有不同的意義和表達(dá)形式。對(duì)于

6、輻射而言，Einc表示貼片不存在情況下的入射場(chǎng)，包括直射場(chǎng)以及由介質(zhì)和接地板產(chǎn)生的反射場(chǎng)；JP表示由于饋電端口不匹配而在探針上產(chǎn)生的反射電流，由JP產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)就是天線的模式項(xiàng)散射。JP的表達(dá)式見(jiàn)文獻(xiàn)8，它是與天線的S參數(shù)、端口負(fù)載、方向圖因子和極化匹配因子有關(guān)的。值得說(shuō)明的一點(diǎn)是，因?yàn)樯⑸涫窃趯掝l帶內(nèi)發(fā)生的，所以這里給出的4個(gè)參數(shù)與天線輻射狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)參數(shù)不同；而是與頻率有關(guān)的變量。當(dāng)負(fù)載匹配時(shí)，由式（10）得根據(jù)式（14），我們得到微帶天線的電路模型，見(jiàn)圖2。圖2中Vm表達(dá)式見(jiàn)式（8）（11），Zmn表達(dá)式見(jiàn)式（7），注意這里Zmn反映的是天線不同模式的諧振情況，與天線的輸入阻抗不同。Zr

7、為天線的輻射阻抗。下面我們從電路的角度來(lái)簡(jiǎn)單分析一下微帶天線的輻射和散射。首先來(lái)看一下散射情況，散射一般發(fā)生在寬頻帶內(nèi)，如果對(duì)于某一頻點(diǎn)的入射波，貼片有一個(gè)模式電流（有時(shí)是兩個(gè)）發(fā)生諧振，即Zm=Zmm+Zme的虛部為0，使得|Zm|呈現(xiàn)較小的值（通常Zm的虛部比實(shí)部變化劇烈），由圖2可知，這時(shí)Im將很大，貼片電流主要呈現(xiàn)Im的形態(tài)，且幅值很大，這時(shí)，RCS就會(huì)出現(xiàn)峰值。通常在諧振點(diǎn)附近，只使用該頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的單個(gè)諧振模式（有時(shí)是兩個(gè)），就可以得到與實(shí)際RCS吻合較好的結(jié)果，見(jiàn)文獻(xiàn)1和7。天線輻射時(shí)，通常是Z1=Z11+Z1e發(fā)生諧振（對(duì)于線極化天線而言）。要保證良好的天線性能，就要使Z1的諧振

8、點(diǎn)位于指定的頻點(diǎn)附近。綜上所述，我們可以得出結(jié)論，天線的輻射和散射機(jī)理在本質(zhì)上是一致的，可以通過(guò)圖2所示的電路和Zmn把二者統(tǒng)一起來(lái)。2微帶天線RCS減縮的困難由上一部分的分析可知，要減小RCS的峰值點(diǎn)，可采取的措施有兩個(gè)：一是增加損耗，降低Im幅值；二是改變天線的諧振性，使Zm不發(fā)生諧振。前者可以通過(guò)選擇有耗的介質(zhì)層或涂覆層，或者采用集總加載和分布式阻抗條帶加載及其它方法實(shí)現(xiàn)；后者可以通過(guò)插入短路銷釘或電抗性元器件及其它方式實(shí)現(xiàn)。從輻射角度來(lái)看，增加損耗無(wú)疑也會(huì)減小天線的工作模式電流I1，而使增益大大降低。另一方面，由式（7）可知，無(wú)論是輻射還是散射，表征天線諧振狀態(tài)的Zmn是相同的，只取決

9、于天線的尺寸和結(jié)構(gòu)，那么，如果改變天線散射狀態(tài)下的諧振性，無(wú)疑會(huì)使天線工作態(tài)下的諧振性也大大惡化。3微帶天線RCS的非全時(shí)減縮由前面的分析可知，減縮RCS和保持天線工作性能始終是一對(duì)難以解決的矛盾，為了避開(kāi)這個(gè)矛盾，這里提出了微帶天線RCS非全時(shí)減縮的概念?！胺侨珪r(shí)減縮”是指在微帶天線上設(shè)置靈活的切換裝置，使天線能在工作態(tài)和非工作態(tài)之間方便地切換。在工作態(tài)時(shí)，天線能保持較高的增益和良好的方向圖性能；在非工作態(tài)時(shí)，通過(guò)降低天線的電磁性能來(lái)達(dá)到減縮RCS的目的?！胺侨珪r(shí)減縮”的關(guān)鍵是要做到非工作態(tài)下減縮效果明顯，工作態(tài)下天線性能不變以及工作狀態(tài)容易切換。最后一點(diǎn)比較重要，它要求天線結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜。

10、按照“非全時(shí)減縮”的想法，下面給出了兩個(gè)簡(jiǎn)單而有效的天線結(jié)構(gòu)。（a） 活動(dòng)基片如圖3所示，基片與接地板之間用一根或兩根活動(dòng)的絕緣桿分開(kāi)(圖中只畫出了一根)，天線饋電采用側(cè)饋。當(dāng)天線工作時(shí)，拉下絕緣桿，天線與一般的微帶天線結(jié)構(gòu)相同，天線性能不受影響；當(dāng)天線不工作時(shí)，撐起絕緣桿，這相當(dāng)于在天線結(jié)構(gòu)中加入了一層很厚的空氣介質(zhì)層，使 得貼片與接地板之間的場(chǎng)大大減弱，天線的諧振性能降低，從而可以減小RCS的諧振峰值。圖4給出了介質(zhì)與接地板之間加入空氣層前后RCS的變化情況。由圖可以看出，RCS的峰值點(diǎn)沒(méi)有了，減縮效果為510dB。有必要說(shuō)明的一點(diǎn)是，該減縮方案對(duì)于微帶陣列是同樣適用的。圖4的結(jié)果是用En

11、semble軟件（基于MOM）進(jìn)行模擬的，兩種情況都沒(méi)有考慮饋電結(jié)構(gòu)。在模擬曲線表示的情況時(shí)，認(rèn)為天線具有兩個(gè)介質(zhì)層，一個(gè)為空氣，一個(gè)為給定的介質(zhì)層。模擬中沒(méi)有把絕緣桿的結(jié)構(gòu)包括進(jìn)去，因?yàn)樗鼘?duì)場(chǎng)的影響很小。（b） 開(kāi)關(guān)負(fù)載 如圖5示，在貼片與接地板之間引入一個(gè)開(kāi)關(guān)負(fù)載，當(dāng)天線工作時(shí)，使負(fù)載開(kāi)路，工作模式電流不受影響；當(dāng)天線不工作時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)，把負(fù)載接入電路，由于負(fù)載會(huì)干擾貼片上的感應(yīng)電流，影響其諧振性，從而可以實(shí)現(xiàn)減縮目的。負(fù)載接入點(diǎn)應(yīng)該選擇在貼片對(duì)角線上，使其能同時(shí)耦合到方向的模式電流。圖中，（xP，yP）表示饋電探針接入的位置，（xS，yS）表示開(kāi)關(guān)負(fù)載接入的位置。圖6給出了用Ensemb

12、le軟件模擬的結(jié)果。由圖可以看出，開(kāi)關(guān)負(fù)載接在遠(yuǎn)離饋電點(diǎn)的地方，減縮效果較理想，RCS峰值點(diǎn)可以減小1028dB。另外，比較天線的輻射性能后發(fā)現(xiàn)，天線不接入開(kāi)關(guān)負(fù)載時(shí)，諧振點(diǎn)為2.71GHz，增益為6.2dB；接入開(kāi)關(guān)負(fù)載后，天線諧振點(diǎn)為2.68GHz，只降低了1%，并且頻率f=2.68GHz處的增益為6.0dB，頻率f=2.71GHz的增益為5.8dB，只降低了0.4dB。這里用軟件模擬時(shí)，需要考慮如何設(shè)置饋電結(jié)構(gòu)和加載阻抗的問(wèn)題。事實(shí)上，當(dāng)天線不工作時(shí)，饋電結(jié)構(gòu)就等效為一個(gè)負(fù)載，因此，對(duì)于饋電結(jié)構(gòu)和加載阻抗可以用相同的辦法進(jìn)行處理。先在貼片和接地板之間生成一個(gè)“Via”，這是該軟件中經(jīng)常用

13、到的一個(gè)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于接入一根金屬探針。Via的半徑是任意的，因?yàn)椴徽摪霃饺《啻螅浖谀M時(shí)都會(huì)把它等效為一根細(xì)線，這里取r=0.04cm；生成Via之后，可以在“Customize Materials”步驟中來(lái)設(shè)置阻抗，選擇阻抗的類型為“Complex”，選擇加載阻抗的金屬層為“ground”，然后來(lái)設(shè)置阻抗的大小。對(duì)于饋電結(jié)構(gòu)，選擇阻抗為50；對(duì)于加載阻抗，需要考慮開(kāi)關(guān)閉合與打開(kāi)兩種情況，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，選擇阻抗為50，表示把50的干擾負(fù)載接入貼片與接地板之間，開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，選擇負(fù)載為5000，表示開(kāi)路情況。實(shí)際應(yīng)用中可以先在貼片與接地板之間形成一個(gè)通道，然后如圖5所示，把一個(gè)帶開(kāi)關(guān)的集總阻抗焊

14、接在貼片和接地板上。為了說(shuō)明軟件模擬結(jié)果的可靠性和上述設(shè)置的正確性，這里用上述方法模擬了文獻(xiàn)6中圖5給出的天線結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖7（這里只給出了模擬的結(jié)果）。與文獻(xiàn)結(jié)果比較后發(fā)現(xiàn)，兩者基本吻合，只是曲線在幾個(gè)頻率點(diǎn)附近稍有不同。產(chǎn)生誤差的原因是，文獻(xiàn)6是直接把負(fù)載跨接在貼片與接地板之間進(jìn)行計(jì)算的，而軟件模擬時(shí)引入了金屬探針的影響。以上是兩種微帶天線非全時(shí)減縮的方案，可以看出，這兩種天線的結(jié)構(gòu)都十分簡(jiǎn)單，但減縮效果卻十分明顯。因此，把它們應(yīng)用于低RCS天線的設(shè)計(jì)中是很有意義的。值得說(shuō)明的一點(diǎn)是，上述方案僅適用于不需要連續(xù)工作的天線系統(tǒng)，例如飛行器上的通信系統(tǒng)，通過(guò)在不同飛行器天線系統(tǒng)之間或者飛行器與地面

15、控制中心之間事先設(shè)好約定，保證兩個(gè)天線系統(tǒng)之間開(kāi)關(guān)同步，天線就可以間歇式地工作。對(duì)于這樣的天線，我們就可以采用上述的非全時(shí)減縮方案來(lái)降低天線非工作時(shí)段的RCS，這實(shí)際上就是從時(shí)域上降低了天線的被截獲概率，屬于低截獲概率天線。然而，對(duì)于需要連續(xù)工作的天線，例如飛行器上各種監(jiān)視系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，非全時(shí)減縮方案是不適用的，我們需要繼續(xù)尋找其它的辦法。4結(jié)論要使微帶天線兼具低雷達(dá)散射截面和良好的天線性能，無(wú)論在理論上還是技術(shù)上都是很困難的，“RCS非全時(shí)減縮”的想法避開(kāi)了矛盾，實(shí)現(xiàn)了非工作態(tài)下的低雷達(dá)截面。本文只給出了兩種天線結(jié)構(gòu)，更簡(jiǎn)單、靈活的結(jié)構(gòu)應(yīng)該還有很多。參考文獻(xiàn)1David RJackson

16、The RCS of a rectangular microstrip patch in a substratesuperstrate geomegry IEEE Tran AP, 1990, 38(1): 282Volakis J L, Alexanian A, Lin J M Broadband RCS reduction of rectangular patch by using distributed loading Electr Lett, 1992, 28(25):232223233Volakis J L, et al Radar cross section analysis an

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