新型超寬帶微帶天線輻射和散射特性研究

姜 文 龔書喜 洪 濤 劉 英

(西安電子科技大學天線與微波技術重點實驗室,陜西 西安 710071)

1.引 言

為適應未來的高科技綜合電子戰(zhàn),隱身技術得到了大量的應用,因此世界上越來越多的國家重視和發(fā)展隱身技術。但是對于低可見平臺來說,對其總雷達截面(RCS)貢獻較大的卻是平臺上的天線,由于天線系統(tǒng)自身工作特點的限制,它必須保證自身雷達波的正常接收和發(fā)射,因此常規(guī)的隱身措施(如低RCS外形設計、雷達吸波材料技術等)不可簡單地應用于天線隱身中,這就使天線系統(tǒng)隱身成為隱身技術中難以解決的關鍵問題。

超寬帶雷達系統(tǒng)具有較高的距離分辨率和寬的頻譜,具有精確的目標識別能力,能獲得復雜目標的細微特征,在反隱身、反導以及目標識別等方面具有廣泛的應用價值。但是,為了提高超寬帶雷達的戰(zhàn)場生存率,就必須對其進行隱身處理。因此,對超寬帶天線散射特性的研究,以及在保證輻射特性的同時減縮超寬帶天線的RCS具有重要意義。

2.理論分析

天線是一類特殊的散射體,它的散射通常包括兩部分:一部分是與散射天線負載情況無關的結構模式項散射場,它是天線饋電線接匹配負載時的散射場,其散射機理與普通散射體的散射機理相同;另一部分則是隨天線的負載情況變化的天線模式項散射場,它是由于傳輸線與接收機和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場[1-6]。在天線的散射理論研究方面,利用散射矩陣可推導出天線散射的基本表達式。文獻[7]提出了一個分析天線散射的模型,利用該模型可分別得到天線散射的兩個分量,解決了天線結構模式項與天線模式項之間相位差難以確定的問題。利用該模型即可求解各種天線的RCS特性,該模型的結論公式如下所示

式中第一項對應天線結構模式項散射場,第二項對應天線模式項散射場,其中:Es(Zl)指接收機端接任意負載時的天線散射電場;Es(∞)指接收機端接開路負載時的天線散射電場;Es(0)指接收機端接短路負載時的天線散射電場;Γl指接收機負載反射系數(shù),Γa指天線反射系數(shù)。

文獻[8]中提出了一種用共面波導方式饋電的平面單極子天線,該天線具有良好的阻抗帶寬特性和輻射方向圖特性,但是此天線,由于其輻射單元和輻射地板的金屬覆蓋面積占天線總表面積的比例大,所以總雷達截面很大。對此天線做適當?shù)男薷?并將其作為參考天線,天線的結構尺寸如圖1(a)所示。為了實現(xiàn)天線低雷達截面特性,必須對其進行改進。

圖1 天線結構圖

利用Ansoft HFSS仿真軟件計算出天線工作時輻射單元上電流的分布,根據(jù)電流分布,我們對天線的輻射單元和輻射地板做適當?shù)淖冃?以達到既能降低天線的金屬覆蓋面積又不影響天線的輻射性能的目的。變形后天線結構尺寸如圖1(b)所示,輻射單元和輻射地板印制在介質(zhì)板的同一側,采用特性阻抗為50Ω的共面波導饋電,共面波導帶線寬度為0.8 mm,縫隙寬度為0.2 mm。兩個四分之一圓的半徑為5.6 mm,中間大圓的半徑為7 mm,下面兩個小圓的半徑為2 mm。參考天線和設計天線均印制在厚度為0.8 mm,介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)板上。

3.實驗結果分析

圖2給出了兩天線VSWR的仿真結果,結果表明兩天線同樣具有VSWR＜2.0條件下2.5～20 GHz的超寬阻抗帶寬特性。圖3為設計天線VSWR仿真結果和測量結果,仿真與實測結果吻合良好,證明了仿真計算的準確性,略有差異的主要原因是天線樣機加工精度和實際測量環(huán)境。

圖4～6給出了參考天線(左)和設計天線(右)工作在3 GHz、8 GHz、10 GHz頻率下,y-z面和x-y面的增益方向圖(單位:d Bi)。從圖中可看出設計天線與參考天線相比,具有相似的良好的超寬帶方向圖特性。

圖7給出了參考天線與設計天線在2.0 GHz～20.0 GHz入射波照射下單站的天線結構模式項RCS。從圖中可以看出,設計天線在此頻帶范圍內(nèi)的天線結構模式項RCS均小于參考天線,說明設計天線具有良好的RCS減縮效果。單站RCS均是基于入射和接收電場的極化方式為垂直極化(平行于x軸),入射方向為-z方向,散射方向為z方向的條件。

圖8給出了設計天線終端接不同負載(開路負載、短路負載)時,在2～20 GHz入射波照射下的單站天線RCS。利用這兩個模式的RCS可容易地計算出任意負載下的天線結構模式項RCS、天線模式項RCS和天線總RCS。從計算結果中可以看出,天線端接不同負載時的兩條RCS曲線,在整個超寬帶頻帶范圍內(nèi),沒有哪一條可以一直保持最大或最小,這點與普通的窄帶天線不同。這種現(xiàn)象的主要原因是:與普通天線相比,超寬帶天線具有很寬的工作頻帶,天線結構模式項散射場和天線模式項散射場之間相位差的動態(tài)變化很大。這種現(xiàn)象使得對超寬帶天線的RCS控制變得更加困難,超寬帶天線的RCS減縮技術應側重于天線結構模式項RCS減縮。

圖8 天線端接不同負載的RCS曲線

4.結 論

基于一種參考天線,設計了一種新型的低RCS超寬帶微帶貼片天線。該天線由輻射單元和輻射地板組成,以共面波導方式饋電,具有從2.5～20 GHz的超寬阻抗帶寬和良好的方向圖特性。與參考天線相比,設計天線具有更低的雷達截面,利于天線系統(tǒng)的隱身。最后以設計天線為例,分析了超寬帶微帶天線的散射特性,該研究將有助于深入理解超寬帶天線的散射機理,為超寬帶天線雷達截面減縮技術打下了良好的理論和實驗基礎。

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