微帶天線RCS的非全時減縮

1、微帶天線RCS的非全時減縮             微帶天線RCS的非全時減縮楊慧杰龔書喜（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非全時減縮的概念，并給出了兩種簡單而有效的方案。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，一些國家已建立了地面、艦艇、機(jī)載和星載的一體化情報偵察體系，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，開發(fā)和設(shè)計低雷達(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，已越來越受到人們的重視，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，然后提出了非全時減縮的概念，并給出了兩種實際

5、的設(shè)計方案，從而在簡單有效的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了天線在非工作時段的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論是微帶天線的輻射場還是散射場，均來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)。對于x極化電流，坐標(biāo)如圖1所示。式（1）（3）對于輻射和散射都是適用的，只取決于貼片的尺寸。由式（1），散射場可表示為其中，En表示第n個模式電流Jn產(chǎn)生的散射場。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表示激勵場，它對于輻射和散射有不同的意義和表達(dá)形式。對于

6、輻射而言，Einc表示貼片不存在情況下的入射場，包括直射場以及由介質(zhì)和接地板產(chǎn)生的反射場；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)場就是天線的模式項散射。JP的表達(dá)式見文獻(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。值得說明的一點是，因為散射是在寬頻帶內(nèi)發(fā)生的，所以這里給出的4個參數(shù)與天線輻射狀態(tài)下的對應(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，由式（10）得根據(jù)式（14），我們得到微帶天線的電路模型，見圖2。圖2中Vm表達(dá)式見式（8）（11），Zmn表達(dá)式見式（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簡單分析一下微帶天線的輻射和散射。首先來看一下散射情況，散射一般發(fā)生在寬頻帶內(nèi)，如果對于某一頻點的入射波，貼片有一個模式電流（有時是兩個）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的虛部比實部變化劇烈），由圖2可知，這時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，RCS就會出現(xiàn)峰值。通常在諧振點附近，只使用該頻點所對應(yīng)的單個諧振模式（有時是兩個），就可以得到與實際RCS吻合較好的結(jié)果，見文獻(xiàn)1和7。天線輻射時，通常是Z1=Z11+Z1e發(fā)生諧振（對于線極化天線而言）。要保證良好的天線性能，就要使Z1的諧振

8、點位于指定的頻點附近。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，可以通過圖2所示的電路和Zmn把二者統(tǒng)一起來。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，可采取的措施有兩個：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現(xiàn)；后者可以通過插入短路銷釘或電抗性元器件及其它方式實現(xiàn)。從輻射角度來看，增加損耗無疑也會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，無疑會使天線工作態(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難以解決的矛盾，為了避開這個矛盾，這里提出了微帶天線RCS非全時減縮的概念?！胺侨珪r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，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，通過降低天線的電磁性能來達(dá)到減縮RCS的目的?！胺侨珪r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“非全時減縮”的想法，下面給出了兩個簡單而有效的天線結(jié)構(gòu)。（a） 活動基片如圖3所示，基片與接地板之間用一根或兩根活動的絕緣桿分開(圖中只畫出了一根)，天線饋電采用側(cè)饋。當(dāng)天線工作時，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，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的峰值點沒有了，減縮效果為510dB。有必要說明的一點是，該減縮方案對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，兩種情況都沒有考慮饋電結(jié)構(gòu)。在模擬曲線表示的情況時，認(rèn)為天線具有兩個介質(zhì)層，一個為空氣，一個為給定的介質(zhì)層。模擬中沒有把絕緣桿的結(jié)構(gòu)包括進(jìn)去，因為它對場的影響很小。（b） 開關(guān)負(fù)載 如圖5示，在貼片與接地板之間引入一個開關(guān)負(fù)載，當(dāng)天線工作時，使負(fù)載開路，工作模式電流不受影響；當(dāng)天線不工作時，閉合開關(guān)，把負(fù)載接入電路，由于負(fù)載會干擾貼片上的感應(yīng)電流，影響其諧振性，從而可以實現(xiàn)減縮目的。負(fù)載接入點應(yīng)該選擇在貼片對角線上，使其能同時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，開關(guān)負(fù)載接在遠(yuǎn)離饋電點的地方，減縮效果較理想，RCS峰值點可以減小1028dB。另外，比較天線的輻射性能后發(fā)現(xiàn)，天線不接入開關(guān)負(fù)載時，諧振點為2.71GHz，增益為6.2dB；接入開關(guān)負(fù)載后，天線諧振點為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，需要考慮如何設(shè)置饋電結(jié)構(gòu)和加載阻抗的問題。事實上，當(dāng)天線不工作時，饋電結(jié)構(gòu)就等效為一個負(fù)載，因此，對于饋電結(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“Via”，這是該軟件中經(jīng)常用

13、到的一個結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于接入一根金屬探針。Via的半徑是任意的，因為不論半徑取多大，軟件在模擬時都會把它等效為一根細(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”，然后來設(shè)置阻抗的大小。對于饋電結(jié)構(gòu)，選擇阻抗為50；對于加載阻抗，需要考慮開關(guān)閉合與打開兩種情況，開關(guān)閉合時，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，開關(guān)打開時，選擇負(fù)載為5000，表示開路情況。實際應(yīng)用中可以先在貼片與接地板之間形成一個通道，然后如圖5所示，把一個帶開關(guān)的集總阻抗焊

14、接在貼片和接地板上。為了說明軟件模擬結(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，只是曲線在幾個頻率點附近稍有不同。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)行計算的，而軟件模擬時引入了金屬探針的影響。以上是兩種微帶天線非全時減縮的方案，可以看出，這兩種天線的結(jié)構(gòu)都十分簡單，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)計中是很有意義的。值得說明的一點是，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，保證兩個天線系統(tǒng)之間開關(guān)同步，天線就可以間歇式地工作。對于這樣的天線，我們就可以采用上述的非全時減縮方案來降低天線非工作時段的RCS，這實際上就是從時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，無論在理論上還是技術(shù)上都是很困難的，“RCS非全時減縮”的想法避開了矛盾，實現(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

17、d control of microstrip patch antennas 1992 IEEE APS International Symposium: 222522284Aberle J T, et al Scattering and radiation properties of varactortuned microstrip antennas 1992 IEEE APS International Symposium: 222922325Pozar D M Radar cross section of microstrip antenna on normally biased ferrite substrate Electr Lett, 1989, 25(16): 107910806David M Pozar Radiation and scattering from a microstrip patch on a uniaxial substrate IEEE