具有RCS減縮效果的超寬帶仿生天線

劉 英 姜 文 龔書喜 洪 濤

(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)

具有RCS減縮效果的超寬帶仿生天線

劉 英 姜 文 龔書喜 洪 濤

(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)

基于仿生學原理和向日葵模型,研制了一種新型可用于雷達低可見平臺的超寬帶單極子天線。利用外邊界為多段圓心角和半徑相同的圓弧、內邊界為圓的結構模擬向日葵花的形狀。該仿生結構天線的輻射和散射特性進行了分析、優化,找出最適合作天線輻射單元的尺寸。并與參考天線作對比,發現在滿足超寬帶天線的相關指標要求下,仿生天線具有良好的RCS減縮效果;適用于對超寬帶天線有低雷達截面要求的場合。利用仿生學減縮天線雷達截面的方法為天線隱身技術提供了新的方向。

雷達截面;單極子天線;仿生學;隱身

1.引 言

隱身技術是一種涉及多學科的綜合技術,其目的是控制目標特征信號使發現和攻擊低可見平臺變得困難。雷達截面(RCS)是雷達探測技術、隱身和反隱身技術中表征目標可被識別特性的一個基本參數,是目標體在平面波照射下返回功率的一種量度。減縮雷達截面就是控制和降低軍用目標的雷達特征,降低敵方電子探測系統的探測能力和武器平臺的戰斗效力,從而提高己方軍用目標的突防能力和戰場生存能力。目前減小RCS的技術大致包括如下四個基本方法,即外形隱身技術、雷達吸波材料涂覆技術、無源對消技術和有源對消技術。其中最常應用且最有效的是前兩種。通過改變目標外形和使用雷達吸波材料這兩種方法可以有效地減小軍事平臺的雷達截面,提高隱身性能。但是對于雷達低可見平臺,平臺上的天線對其總RCS貢獻非常大,因此,必須對天線RCS進行控制。同時具有較好的輻射特性與散射特性是設計隱身天線的原則。但是天線系統自身的工作特點是必須首先保證自身雷達波的正常發射和接收,因此,低RCS外形設計技術、雷達吸波材料技術等常規的隱身措施不能簡單地成功應用于天線隱身。以上原因使得天線系統的隱身成為當今隱身技術中一項難以解決的關鍵問題。目前國內外均沒有找到一種完全理想的技術方法可以同時既顯著地降低天線RCS又完全不影響天線的正常工作。這就使得尋求新的降低天線RCS方法變得更加迫切[1-3]。

與普通散射體不同的是天線散射通常包括結構模式項散射場和天線模式項散射場兩部分。天線的結構模式項散射場與發射機負載情況無關,可認為是接匹配負載時的散射場;天線模式項散射場是由于傳輸線與發射機不匹配而造成的反射功率二次輻射而產生的散射場,它隨天線的負載情況而變化,是天線與普通散射體不同而特有的[4]。

在天線的散射理論研究方面,文獻[4]提出了一套系統的天線分析理論。在此基礎上,文獻[5]進一步提出了分析超寬帶天線散射問題的理論和試驗方法。天線RCS減縮所面臨的最大問題就是在天線輻射性能與散射性能兩方面的兼顧,要求雷達天線只輻射和接收我方雷達波,不反射和散射敵方雷達波,這是實際中很難解決的一對矛盾。隱身技術不是單一技術,而應是各種技術的聯合運用。由于常規的隱身措施不能簡單地應用于天線隱身,所以,除了前述的設計思路外,還需要探索新的理念來豐富隱身技術。試驗證明,海鷗雖然與燕八哥的形體大小相近,但海鷗的雷達截面比燕八哥的大200倍。蜜蜂的體積小于麻雀,但它的雷達截面比麻雀大16倍[1]。仿生概念已經成功應用于很多領域,天線的隱身必然也可應用仿生技術尋求新的設計方案。利用向日葵花的仿生模型設計超寬帶天線,以此為例說明仿生學在天線隱身技術領域中的應用。

國內外關于超寬帶天線RCS減縮的文獻并不多見。文獻[6]給出了一種超寬帶平面單極子天線,天線的輻射單元和輻射地板分別印制在介質板的兩側,實現了天線平面化。該天線因出色的輻射特性而被廣泛應用,但是圓形的輻射單元使其天線雷達散射截面很高,不利于天線的隱身,仿生學輻射單元則可有效地解決這一問題。

2.天線設計

超寬帶仿生天線包括輻射單元、輻射地板、50 Ω微帶饋電線和介質材料板四部分。天線輻射單元和天線輻射地板分別印制在介質材料板的兩側,介質材料板的尺寸為50 mm×42 mm,介電常數為

4.4,厚度為0.8 mm.輻射單元具有由多段半徑和圓心角相同的圓弧組成的外邊界和圓形內邊界。外圓弧半徑為8 mm,內圓半徑為8.5 mm.天線的輻射地板為兩邊倒有90度圓弧角的矩形,矩形的長度與介質材料板的寬度相等,為42 mm,矩形的寬度為16 mm.饋電線寬度為1.56 mm.

以超寬阻抗帶寬為目的,對外邊界圓弧的個數、圓心角和半徑以及內邊界圓的半徑進行優化得到最優結果,并以該結果設計超寬帶天線。仿生天線和參考天線的結構示意圖如圖1所示。為了說明仿生天線輻射單元結構在RCS減縮方面的優越性,設計兩天線的輻射地板和介質材料板為完全相同。

圖1 天線結構示意圖

3.實驗結果分析

通過印制板技術加工兩天線的天線樣機。圖2 -3分別給出兩天線VSWR的仿真結果和實際測試結果,測試采用AgilentE8361網絡分析儀。從圖中可以看出計算結果與測試結果吻合良好。實測結果表明,在 VSWR小于 2.0時,仿生天線具有2.0～ 20.0 GHz的帶寬,參考天線具有2.3～14.0 GHz的帶寬,均充分覆蓋了UWB所要求的3.1～10.6 GHz帶寬。

圖4、5分別給出仿生天線在低頻(3.0 GHz)和高頻(9.0 GHz)的E面(x-y面)和H面(y-z面)輻射方向圖,計算和測量結果吻合良好。圖6給出了兩天線離散頻率點的實測增益。以上結果表明仿生天線可被視為平面單極子天線,其最大輻射方向垂直于x軸,且在整個UWB帶寬內具有良好的全向性,可較好地用于超寬帶系統[7-8]。

圖7-8分別給出了仿生天線和參考天線端接開路負載、短路負載時的RCS隨頻率變化的曲線圖。利用這兩種狀態可求解天線端接任意負載時的天線RCS。超寬帶天線具有很寬的阻抗帶寬,在此計算出兩天線端接50 Ω阻抗時的天線RCS,如圖9所示。全文提到的RCS均指的是單站RCS;平面波的入射方向為-z軸方向,即天線的最大輻射方向;極化方式為垂直極化,即電場矢量方向平行于x軸。從圖7、8可看出,與窄帶天線不同,超寬帶天線的RCS在整個頻帶內沒有哪一種狀態可以一直保持最大或者最小。這種現象的原因可解釋為與窄帶天線相比,超寬帶天線所要考慮的頻帶更寬,天線的結構模式項RCS和天線模式項RCS之間的相位差變化更大。

從圖9中可看出仿生天線在很寬頻帶內的RCS均小于參考天線。這種現象可解釋為仿生天線輻射單元的面積小于參考天線的圓形輻射單元。與傳統的圓形輻射單元結構相比,仿生輻射單元結構同時具有良好的輻射特性和低RCS特性,解決了以往減縮方法難以在整個超寬頻帶內均達到良好效果的問題。

圖9 仿生天線與參考天線RCS對比圖

4.結 論

基于仿生學原理設計了一種低雷達截面的超寬帶仿生天線。利用外邊界為多個半徑和圓心角相同的圓弧,內邊界為圓的結構設計天線輻射單元。利用兩邊倒有90度圓弧角的矩形設計輻射地板,從而使天線同時具有2.0～20.0 GHz超寬頻帶和低雷達截面特性。仿生輻射單元結構有利于天線同時實現超寬帶特性和低雷達截面特性,適用于對超寬帶天線有低雷達截面要求的場合。將仿生學應用于天線隱身技術的方法為今后設計對雷達截面有要求的天線系統提供了新的思路。

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[3] JIANG Wen,GONG Shuxi,LI Yan-ping.A novel low RCS mobius-band monopole antenna[J].Journal of E-lectromagnetic Waves and Applications,2009,23: 1887-1895.

[4] GREEN R B.The General Theory of Antenna Scattering[D].Ohio:Antenna Laboratory,Ohio State Un-i versity,1963.

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Bionic antenna with reduced RCS for ultra-wideband application

LIU Ying JIANG Wen GONG Shu-xi HONG Tao
(K ey Lab.of A ntennas and Microwave Technology,Xidian University, Xi'an Shaanxi 710071,China)

Based on bionics principle and the model of sunflower,a novel ultrawideband monopole antenna with low radar cross section(RCS)is presented for low-observable platforms.The bionic element has an outer boundary composed of several arcs of uniform radius and central angel and a circular inner boundary, which simulates the structure of sunflower.Simulation analysis for bionic structure is conducted and the optimized structure is obtained for antenna element.T he rad-i ating element of the proposed antenna is designed by using the model of sunflower. Radiation and scattering characteristics of the proposed antenna are studied and compared to those of a reference antenna.T he results show that the bionic antenna has favorable UWB-related performances and lower RCS than the reference antenna.The proposed antenna serves as good candidate for the future design of UWB antennas with requirement of RCS control.T he method of applying bionics to antenna RCS reduction charts a novel direction for antenna stealth.

RCS;monopole antennas;bionics;stealth

龔書喜 (1957-),男,河北人,西安電子科技大學教授,博士生導師,博士。研究方向為:電磁理論、電磁輻射、電磁散射與隱身技術等。

TN821.8

A

1005-0388(2010)03-0548-05

劉 英 (1977-),女,河南人,西安電子科技大學副教授,碩士生導師,博士。主要研究方向為:天線理論與設計,電磁散射與隱身技術。

姜 文 (1985-),男,山東人,西安電子科技大學博士生。主要研究方向為:寬帶天線設計、電磁散射與隱身技術。

2009-09-16

國家自然科學基金資助項目(60801042)

聯系人:姜文E-mail:jw13@vip.qq.com