接地板開槽對微帶天線的影響

接地板開槽對微帶天線的影響

1微帶天線的rcs減縮在各種飛機(jī)中，作為一個不可避免的組成部分，天線作為飛機(jī)總體的rcs做出的巨大貢獻(xiàn)越來越明顯。由于天線系統(tǒng)工作特點的限制，它必須保證自身雷達(dá)波的正常接收和發(fā)射，因此常規(guī)的隱身措施不可能簡單地在天線隱身中獲得應(yīng)用。如何降低天線的RCS，使天線系統(tǒng)免遭敵方雷達(dá)的探測和攻擊而有效地工作，不僅關(guān)系到天線本身的生存，而且影響到其載體的電磁隱身性能，進(jìn)而影響到天線載體的生存。天線的散射通常分為兩部分，一部分是與天線負(fù)載情況無關(guān)的結(jié)構(gòu)模式項散射場，它是天線接匹配負(fù)載時的散射場，其散射機(jī)理與普通散射體相同；另一部分則是隨天線負(fù)載情況變化的天線模式項散射場，它是由于負(fù)載與天線不匹配而反射的功率經(jīng)天線再輻射而產(chǎn)生的散射場，這是天線作為一個加載散射體而特有的散射。微帶天線具有尺寸小、易與載體表面共形等諸多優(yōu)點，在飛行器的低RCS天線應(yīng)用中具有廣闊的前景。其中，微帶貼片天線以其相對效率高、分析方法成熟而應(yīng)用最為廣泛。然而作為一種高Q值諧振器，它最主要的缺點就是帶寬太窄，增益偏低。近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)微帶貼片天線的獨特結(jié)構(gòu)，提出了很多RCS減縮方案，但大都是以犧牲天線輻射性能為代價的。天線的增益損失和帶寬變化是目前衡量RCS減縮方案優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)。如何在天線性能損失的可承受范圍之內(nèi)，盡可能降低其RCS，折中考慮這兩方面因素，是擺在眾多學(xué)者面前的重要課題。接地板開槽可以改變微帶天線的輻射及阻抗特性，在展寬微帶貼片天線的頻帶中已有所應(yīng)用。本文將其引入到微帶貼片天線的RCS減縮中，分析計算了接地板開槽對天線RCS的影響，并結(jié)合短路針加載，給出了一種較為理想的開槽形式。計算結(jié)果表明，據(jù)此設(shè)計的微帶貼片天線，在較寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)了RCS的減縮，增益僅下降了0.2dB，帶寬保持不變。2微帶天線的等效磁流環(huán)散射場計算平面波照射在同軸線饋電的微帶貼片天線上，在天線的饋電端口接有負(fù)載Zl。計算其散射特性時給定入射波的強度，在同軸線饋電端口不加激勵，而是接一個負(fù)載Zl。由金屬表面切向電場為零的邊界條件得到下面兩個表達(dá)式其中r是場點位置矢量，r′是源點位置矢量，而Js(r′)是貼片上的電流分布，I(z′)是探針上的電流分布，Exmag,Eymag和Eymag是同軸線口徑處的等效磁流環(huán)產(chǎn)生的電場分量，Gmn(r,r′)指的是場在第m層，源在第n層的空間域格林函數(shù)(見圖1)。移去貼片和探針，僅剩下介質(zhì)和接地板以后，入射平面波在貼片原來的位置上產(chǎn)生的總場是sEi(r)，在探針原來的位置上產(chǎn)生的總場是Ezi(z)。分析計算時將同軸線口徑處用等效磁流環(huán)表示，假定同軸線的口徑處分布有TEM模式的場，且同軸線的內(nèi)芯和外皮之間的電壓LV，則式(1)，式(2)中該磁流環(huán)激勵起的電場為其中a是同軸線的內(nèi)徑，b是同軸線的外徑，VL=ZlIl,lZ是負(fù)載阻抗，S0是零階索末菲爾德積分，Ive,Vve是等效傳輸線上的電壓和電流，Il是負(fù)載上的電流，該電流也是通過矩量法求解式(1)和式(2)，與貼片和探針上的電流一起求出。采用空間域矩量法，選擇三角形面元基函數(shù)(又稱為RWG基函數(shù))，該基函數(shù)能夠模擬任意形狀貼片天線上的電流分布。使用伽略金方法對式(1)和式(2)的混合位積分方程兩邊分別取內(nèi)積，得到阻抗矩陣方程。求解該阻抗矩陣方程，得到電流分布便可以求得微帶天線的散射場。在下面的計算中，天線均采用同軸線饋電(如圖1所示)，饋電端口匹配良好(微帶天線較易實現(xiàn)饋電端口匹配)，此時天線模式項散射近似為零，因此下面的工作主要進(jìn)行的是結(jié)構(gòu)模式項散射的減縮。3天線開槽測試當(dāng)平面波照射微帶貼片天線時，在不同頻率會激勵起不同的感應(yīng)電流，天線的散射場正是由這些感應(yīng)電流引起的。接地板開槽可以改變微帶天線的阻抗特性及貼片表面感應(yīng)電流的流動路徑，對天線的散射特性產(chǎn)生影響。在微帶天線的接地板上沿x軸方向開3個槽，如圖2所示。計算結(jié)果表明：開槽后天線的諧振頻率保持不變，天線增益有小幅下降，帶寬幾乎沒有損失。圖3給出了此天線在一段頻率內(nèi)(注：2-8GHz為機(jī)載導(dǎo)航及電子戰(zhàn)天線常用工作頻段)的單站RCS曲線，入射波為θ極化平面波，入射角θ=60,?=45(這個角度入射可以激勵較多的諧振模式電流)?？梢钥吹?，接地板開槽的確能夠影響天線的散射特性，對抑制諧振頻率點的RCS峰值起到了一定的作用。微帶天線加載短路針相當(dāng)于引入電納，同樣可以改變天線的阻抗特性，影響其RCS。在適當(dāng)位置進(jìn)行加載不會造成天線諧振頻率的偏移，同時帶外的RCS有一定程度的減縮。基于上述分析及結(jié)論，本文設(shè)計了一個接地板開槽微帶貼片天線。首先設(shè)計一個工作在3GHz，輻射性能良好(其中增益為6.76dB，帶寬為2.4%)的普通微帶貼片天線。其中，介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)rε=2.35，基片的厚度h=2mm，電損耗角正切tanrδ=0.001。貼片的外圍尺寸為W×L=31.4mm×31.4mm，接地板尺寸為Wg×Lg=50mm×50mm。選擇接地板中心為坐標(biāo)原點，采用同軸線饋電，其內(nèi)芯半徑為0.45mm，饋電點的坐標(biāo)為(5.3,0)。在上述天線的接地板上沿x軸方向開5個槽，如圖4所示。接地板的外形關(guān)于x軸對稱，槽的寬度均為1mm，其中d1=Wg/3,d2=2Wg/3。短路針的坐標(biāo)分別為(0,15)、(0，-15)，短路針半徑為0.45mm，此時天線的饋電點為(5.5,0)。計算結(jié)果表明，圖4所示接地板開槽微帶天線的工作頻率仍然為3GHz，增益下降為6.58dB左右，阻抗帶寬幾乎不變。接地板開槽天線與普通天線的遠(yuǎn)場方向圖對比見圖5?？梢钥吹?，它們有著相似的方向圖，方向圖的后瓣稍有增大。由此可見，圖4給出的接地板開槽天線較好地保持了原天線的輻射性能，增益下降不到0.2dB，帶寬基本不變。圖6是接地板開槽微帶天線的回波損耗曲線，圖7給出了入射波為θ極化平面波，入射角為典型角度θ=60，?=45時開槽天線的單站RCS曲線，圖8，圖9給出了入射角為θ=60，?=90及θ=60，?=0時該天線的單站RCS曲線。由圖7可以看到，接地板開槽后，對于θ=60，?=45入射方向，天線的RCS在大部分頻帶內(nèi)都得到了減縮。在工作頻率3GHz附近RCS下降了12dB左右，另外兩個諧振點RCS峰值也分別有5dB和12dB的下降，帶內(nèi)RCS減縮較為理想，而帶外的RCS可以通過頻率選擇表面進(jìn)行減縮。如圖8，圖9所示，入射角為θ=60，?=90時，天線的RCS也有較為明顯的減縮，而當(dāng)平面波以θ=60，?=0角度入射時，RCS曲線并無十分明顯的變化，因此需要在以后的工作中對本文提出的開槽方式作進(jìn)一步改善。接地板開槽可以改變天線的阻抗特性及貼片上感應(yīng)電流的流動路徑。電流的蜿蜒流動，使其產(chǎn)生的散射場部分抵消，從而達(dá)到降低天線RCS的目的。與短路針加載相結(jié)合，在保持天線輻射性能的同時，實現(xiàn)了較寬頻帶內(nèi)RCS的減縮。雖然方向圖后瓣稍有增大，但是相對于較小的增益損失、帶寬不變及明顯的RCS減縮效果等諸多優(yōu)點，可以認(rèn)為這種代價是值得的。4天線的rcs性能由上可知，在微帶天線的接地板上開槽是實現(xiàn)較寬頻帶RCS減縮的可行方案。開槽