一種新型高增益低雷達散射截面微帶天線

高 軍， 袁子東， 曹祥玉， 楊吉明， 劉 濤， 楊歡歡

(空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710077)

頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces， FSS)是指由完全相同的單元沿一維或二維方向周期排列而成的無限大陣列[1]．它本身不吸收能量， 卻能起到濾波的作用．頻率選擇表面通常有兩種構成形式：一種是在金屬屏上周期性排列的孔徑單元，另一種是周期性排列的金屬貼片單元．對于諧振條件下的入射電磁波， 這兩種陣列分別呈現出全透射(孔徑型)和全反射(貼片型)性．因其獨特的性能， 近年來對其研究有增無減[2-3]，并在天線罩中得到了廣泛應用[2-3]，在保護天線的同時，也降低了天線的帶外雷達散射截面(Radar Cross Section， RCS)，但這些應用往往會影響天線的輻射性能．目前天線帶內雷達散射截面減縮(如超材料吸波體[4-8])成為研究的難點和熱點[9]．

微帶天線具有剖面薄、體積小、重量輕、能與載體(如衛星、導彈等飛行器)的表面共形的優點，但其功率容量小、損耗(介質損耗和表面波損耗等)大，因此效率低、頻帶窄、增益低，從而大大減小了其應用范圍．通常采用天線陣列、超材料基板[10]、覆層[11-16]來提高微帶天線的增益，但會造成天線陣元之間耦合、帶寬降低等負面影響．

圖1 頻率選擇表面天線罩高增益微帶天線

針對傳統微帶天線增益低、方向性差等缺點，筆者設計了一種雙屏頻率選擇表面，并將其作為微帶天線的天線罩，在提高天線增益和方向性的同時，還有效地減縮了天線帶內、帶外的雷達散射截面．

1 理論分析

1.1 幅相加權理論分析

采用射線理論進行分析[17-18]，如圖1所示．由于頻率選擇表面的部分反射特性，微帶天線輻射出的電磁波在頻率選擇表面與地面之間進行多次反射，最終向外輻射的電磁波可通過頻率選擇表面各單元部分透射的電磁波進行幅相加權求得．其中頻率選擇表面單元的相位差包含路徑上的相位延遲和接地板反射的半波損耗，最終的輻射功率方向圖可表示為

(1)

其中，h是天線罩與接地板間的距離，λ0是自由空間波長，R(θ) exp(jφ(θ))是頻率選擇表面反射系數的復數表示形式，φ(θ)是相位，F(θ)是原始天線的方向圖函數，θ角如圖1所示．

當各頻率選擇表面單元輻射的相位同相時，總輻射能量最大，即

其中，N=0，1，2，…；φ(0)為天線輻射電磁波的初相位．由于頻率選擇表面周期性結構有限，選取θ=0°．將式(2)帶入式(1)，得

式(4)表明: 當反射系數接近于1時，天線增益將得到很大提高．當N增大時，天線的副瓣增大，因此高度h不易過大．可見，天線的增益與半功率寬度可通過高度h與反射系數R來優化．其中R與頻率選擇表面有關，h與天線的輻射頻率有關．

圖2 頻率選擇表面天線罩天線雷達散射截面減縮原理圖

1.2 雷達散射截面減縮理論分析

如圖2所示，設探測雷達波是沿z軸正向入射的平面波．時諧場在均勻媒質中的平面波具有exp(-j(ωt+k·r)) 形式．假定平面波的場是以下形式:

E(r)=E0exp(jk·r) ，H(r)=H0exp(jk·r) ,

(6)

其中，k是波矢，E0和H0分別是電場和磁場的振幅矢量．

入射平面波將在頻率選擇表面上產生反射和透射，相位差分別記為ψr和ψt，則反射波和透射波可表示為(因電場和磁場有相同的形式，下面只討論電場)

Er(z)=Erexp(j(-kz+ψr))，Et(z)=Etexp(j(kz+ψt)) ．

(7)

對于天線的結構項散射，主要是天線罩天線的反射波和經微帶天線接地板反射并透過頻率選擇表面的透射波．透射波Etn(z)可表示為

(8)

其中，n=1，2，3，…，表示經過天線接地板的n次反射；π表示金屬平板對電磁波的半波損耗．

總的透射波Ett(z)為

(9)

因此，加載天線罩后天線的結構項散射波Es(z)為

Es(z)=Er(z)+Ett(z) ．

(10)

為了滿足天線高增益的要求，Etn(z)具有2nπ的相位差．根據相位相消原理，適當調整Er(z)和Ett(z)的相位差，可有效地減小天線的結構項散射．

對于天線的模式項散射，只是平面波激勵天線貼片的相位不同，因此這里不再進行公式推導．

綜合以上分析可知: 適當地調整天線罩的高度h和對頻率選擇表面的合理設計，可在提高微帶天線增益的同時，使天線的帶內雷達散射截面得到有效減縮．

2 仿真與實驗

2.1 天線罩結構設計與分析

筆者設計的天線罩是在介質板兩側周期刻蝕金屬貼片而構成的3層式結構，如圖3所示．上下兩層金屬貼片為斜十字形金屬環，中間的介質板為Taconic TLY(tm)，相對介電常數εr=2.2，損耗角正切 tanδr=0.009．這樣結構的設計(對稱結構和雙屏頻率選擇表面)可以使天線罩對于任意極化和不同入射角的入射波都能產生諧振，具有較好的穩定性．其他結構參數為: 單元周期W1=7.5 mm，斜十字形薄金屬環寬度W2=0.8 mm，內徑W3=5.6 mm，外徑W4=6.6 mm，介質板厚度S=2 mm(約為 0.067λ，λ是 10 GHz 時的自由空間波長)．

圖3 天線罩結構示意圖

圖4 雙屏頻率選擇表面傳輸線等效模型

根據傳輸線理論，該結構可等效為如圖4所示的傳輸線模型．當電磁波垂直入射到頻率選擇表面時，可等效為兩層頻率選擇表面與介質板并聯．ZR和η0分別表示介質板的特征阻抗和自由空間波阻抗，Z1、Y1和Z2、Y2分別表示上層和下層表面阻抗和導納，則

(11)

下層頻率選擇表面與自由空間的并聯阻抗Z3為

Z3=Z2η0/(Z2+η0) ．

(12)

最終得到的輸入阻抗Z4為

(13)

當電磁波垂直入射時，反射系數R為

R=(Z4-η0)/(Z4+η0) ．

(14)

可以看出，適當地調節上下層頻率選擇表面的結構，可使Z4與η0相匹配，并使入射波全透射．

采用基于有限元法的Ansoft HFSS12軟件進行仿真．利用master/slave邊界和floquet端口，以一個結構單元模擬無限周期進行建模，如圖3(c)所示．對于TE和TM極化，當入射角度不同時，仿真得到的S11曲線如圖5所示．可以看出，在兩種極化下，相同入射角的電磁波具有相同的諧振頻點，且隨入射角增大到60°，諧振頻點向高頻偏移(60°時偏移量為 530 MHz)．說明該結構對極化不敏感且有較寬的入射角特性．

圖5 S11曲線隨入射角的變化

圖6 雙屏頻率選擇表面的電場與電流分布圖

圖7 雙屏頻率選擇表面的反射相位曲線

圖6給出了當電磁波垂直入射時，天線罩上下表面在諧振頻點的電場和電流分布．從頻率選擇表面貼片電場和電流分布可以看出：入射電磁波的電場分量在上層斜十字形金屬環左右兩側產生了電偶極子響應[19](形成了兩個電極)，這兩個電極又與下層斜十字形金屬環強烈地耦合，形成了LC的諧振回路，產生了電諧振；入射電磁波的磁場分量穿透上下兩層金屬，同時產生了水平方向的磁諧振[19]，從而在上下層金屬的上下端激發出反向平行的電流．由于電諧振和磁諧振同頻產生，使得入射的電磁波幾乎能夠全部透過天線罩．圖7為電磁波垂直入射時天線罩的反射相位．當 8.4 GHz

2.2 天線的輻射性能

利用設計好的頻率選擇表面作為微帶天線的天線罩．微帶天線的結構參數如下: 長度為 9 mm，寬度為 11.8 mm，同軸線饋電點偏離中心的距離為 3.1 mm，中心頻率為 10 GHz．

圖8給出了原始天線和不同高度h的S11仿真曲線．可以看出，天線罩的加載對天線帶寬有一定的影響．當天線罩高度h=15 mm 時，S11諧振最深，達到了 -48.5 dB，此時天線的工作頻段為 9.5～ 10.6 GHz，與原始天線頻帶一樣．圖9和圖10給出了加載天線罩前后E面和H面方向圖．可以看出，相比初始天線，加載天線罩后天線的增益都明顯提高了．表1給出了不同高度下 10 GHz 時天線的輻射性能仿真結果．圖11是兩天線在 10 GHz 時的表面電場分布．可以看出，加載天線罩后，相當于天線的輻射口徑增大，則相應的天線的方向性必然提高．這一結果證實了預測分析的正確性．

圖8 加載天線罩前后S11曲線圖9 加載天線罩前后E面方向圖

圖10 加載天線罩前后H面方向圖

為了驗證仿真結果，加工了天線實物，如圖12所示．利用AgilentN5230C矢量網絡分析儀和遠場測量法，在高度h=9 mm (綜合天線增益和雷達散射截面減縮效果，選擇h=9 mm) 時進行了測量．測量的S11曲線、E面和H面方向圖分別如圖13～15所示．實驗結果表明：相比初始天線，覆層天線最大增益提高了 5.49 dB，與仿真結果的 5.7 dB 只有 0.21 dB 偏差；E、H面半功率主瓣寬度分別減小了63°和52°．實驗結果進一步證實了設計的正確性．

表1 天線的輻射性能仿真結果

圖11 加載天線罩前后天線電場分布圖

2.3 天線的散射性能

分別用TE和TM極化的平面波照射天線，圖16給出了不同高度時法線方向的雷達散射截面曲線．可以看出，在不同高度時帶內和帶外雷達散射截面都得到了減縮．當高度為 9 mm 時，2～ 18 GHz 的頻帶范圍(除 4 GHz 和 15 GHz 附近)雷達散射截面都有 5 dB 以上的減縮，其中帶內最大減縮為 8.73 dB (9.8 GHz) ．圖17給出了在 9.8 GHz、10 GHz 和 10.2 GHz 時不同角度照射加載前后天線的雷達散射截面結果．從圖中結果可以看出，加載天線罩后天線的法線方向雷達散射截面減縮明顯．當頻率為 10.2 GHz 時，兩種極化下雷達散射截面最大減縮分別達到了 7.94 dB 和 20.94 dB，且對TE和TM極化，雷達散射截面在 -23°～ 23°都得到了明顯的減縮，加載天線罩后雷達散射截面在 -55°～ -23° 和 23°～ 55°，明顯大于原天線．雷達散射截面減縮效果驗證了加載天線罩后天線帶內雷達散射截面減縮的理論分析．

圖12 加載天線罩前后天線實物圖圖13 實測S11曲線

圖14 加載天線罩前后實測E面方向圖圖15 加載天線罩前后實測H面方向圖

圖16 天線雷達散射截面掃頻對比

圖17 天線雷達散射截面掃角對比

由于實驗條件所限，為驗證覆層天線雷達散射截面減縮效果，只能通過工作頻段為 8.2～ 12.4 GHz 的單個寬帶喇叭天線(如圖18所示)得到反射損耗曲線．測量了h=9 mm 時在TE極化下原始天線和加載天線罩后天線對垂直入射波的反射損耗曲線，矢量網絡分析儀為Agilent N5230C．由理論分析可知，盡管帶外的天線模式項散射場較小，但為了說明設計天線結構項散射場的減縮效果，實驗中對待測天線均加載了匹配負載．為了提高測量系統的精度(考慮到天線整體尺寸較小)，把貼片天線放置在距喇叭天線口 1 m 處，此時入射波可近似看做平面波．從圖19中的測量結果可以看到，與原始天線相比，加載天線罩后天線的反射損耗在 8～ 12 GHz 的頻段范圍內均有下降，尤其是在 10 GHz 的天線工作頻帶附近，反射率的減小量都超過了 5 dB，且測試結果與仿真得到的天線雷達散射截面減縮效果(圖16)基本一致．說明加載天線罩后在工作頻帶內確實表現出良好的雷達散射截面減縮效果，驗證了設計方法的有效性．

圖18 雷達散射截面實驗測試圖圖19 實測反射損耗曲線

3 結 束 語

筆者設計了一種雙屏頻率選擇表面，并將這種材料應用于微帶天線．通過射線理論和相位相消原理，對加載天線罩后的微帶天線進行了理論分析．結果表明：加載天線罩后的微帶天線，在帶寬沒有受到影響的情況下，方向性和增益得到提高；同時，帶內和帶外雷達散射截面得到了有效減縮，在帶內TE和TM極化最大減縮分別達到了 7.94 dB 和 20.94 dB．筆者的研究對于提高天線的增益和帶內雷達散射截面減縮有一定的借鑒作用．

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