基于輻射散射一體化技術的低RCS貼片天線陣列設計

郝 彪, 楊賓鋒, 高 軍, 曹祥玉, 楊歡歡, 李 桐

(空軍工程大學信息與導航學院，西安，710077)

隨著戰爭形態的不斷升級，世界各國對武器裝備隱身特性的要求也越來越高。天線作為無線通信設備中的重要組成部分，因其特殊作用往往會引起較大的雷達反射截面(Radar Cross Section, RCS)，直接降低武器裝備在戰場的生存性[1]。因此，設計出低RCS天線對現代軍事裝備發展具有重要意義。

近些年，電磁超材料(Metamaterial，MTM)的蓬勃發展，為降低天線RCS提供了新方向。電磁超材料多指自然界中不存在，具有特殊電磁特性的人造亞波長周期結構[2]。幾個主要的研究方向有頻率選擇表面[3-4]、人工磁導體[5-7]、完美吸波體[8-9]、極化旋轉表面等[10-12]。但是，傳統方法將超材料單元與天線單元分別設計，而后按一定排列方式組合在一起，這樣往往會增大天線口徑，而且對天線原本的輻射性能產生影響。因此，通過“散射體參與輻射”的思想，將具有人工磁導體特性的貼片接上饋電，利用2種人工磁導體相位相差180°的特點，得到同時具有輻射特性和低RCS的天線陣列[13]。文獻[14]利用磁電偶極于天線與周圍金屬地之間的相位差，使天線陣在x極化和y極化的6 dB減縮頻帶分別為5.3～11.9 GHz 和9.1～12.0 GHz。文獻[15]利用2種大小不同的方形貼片天線，通過相位對消進行RCS減縮，同時2種單元分別在其所在頻段獨立工作。文獻[16]與文獻[17]都設計了2種工作頻段相近，反射相位相差180°的2種貼片天線單元，天線陣列的RCS得到了明顯降低，同時所有陣元可以工作在相同頻段。上述文獻均通過結合天線的反射相位來降低RCS，且整體功能也愈加完備。因此，將超材料充當輻射體設計低RCS陣列天線成為了當前熱點研究方向。

本文提出并設計了一種基于輻射散射一體化技術的低RCS貼片天線陣列，該天線陣列在9.5～11.5 GHz頻段內，仿真增益穩定在16 dBi以上。利用遺傳算法優化排布結構，使散射場呈現一種漫散射形態，降低了天線陣列在整個空間散射場的RCS峰值。法線方向上x極化波照射時，單站RCS在8～15.9 GHz有所降低，其最大減縮量達17.1 dB；y極化波照射時，單站RCS在9.5～16 GHz有所降低，最大減縮量為13.1 dB。

1 理論分析

通過利用2種天線單元表面之間的反射相位差，使2種天線單元產生的反射波達到等幅反相的條件，進而使天線陣的RCS得到減縮。

設2種天線被入射波照射后，產生的等幅的表面電場，大小為A，電場反射相位分別為φ1和φ2，

則反射波產生的總場強為：

E=Aejφ1F1+Aejφ2F2

(1)

式中：F1和F2是2種單元結構的陣因子。

F1=ej(kx+ky)d/2+ej(-kx-ky)d/2

(2)

F2=ej(kx-ky)d/2+ej(-kx+ky)d/2

(3)

x=sinθcosφ

(4)

y=sinθsinφ

(5)

式中：θ和φ為入射波分別與水平面與垂直面的夾角，k=2π/λ，d為2種天線單元中心間距。

當垂直入射時，θ與φ為0°，此時F1和F2的值為2，則式(1)可化為：

E=2A(ejφ1+ejφ2)

(6)

若2種天線單元的反射相位相同，設其反射場為E0，則：

E0=4Aejφ1

(7)

如果要求RCS減小的能量達10 dB，則有：

|E|2/|E0|2≤-10 dB

(8)

將式(6)、(7)帶入式(8)中，得到：

cos (φ1-φ2)≤-0.8

(9)

解得：

143°≤|φ1-φ2|≤217°

(10)

所以理論上講，當垂直入射時，2種天線單元的反射相位若能滿足式(10)，則天線陣相較于同等面積的金屬板其RCS減縮可達10 dB。因此，一般將在143°～217°范圍內的相位差稱為有效相位差[18-19]。

2 貼片單元設計與仿真結果

天線陣列由2種天線單元構成，結構如圖1所示，尺寸參數如表1所示。2種天線的基本結構相似，二者介質板的介電常數為2.2，都采用L型探針對貼片進行激勵，下方焊接50 Ω 的SMA連接器為其饋電，金屬地上刻有矩形槽。

圖1 2種天線單元結構圖

表1 天線尺寸參數 mm

2種天線單元的|S11|及增益仿真曲線如圖2所示。單元A的-10 dB帶寬為9.1～11.7 GHz，單元B的-10 dB帶寬為8.8～11.2 GHz，共同帶寬為9.1～11.2 GHz。在其共同的頻帶下，2種天線單元的增益均在6 dBi以上。2種天線單元的輻射方向圖如圖3所示，二者方向圖相似度較高，且交叉極化小，在天線陣輻射過程中，可看作相同陣元。

圖2 天線單元|S11|及增益曲線

圖3 天線單元輻射方向圖

2種天線單元的散射特性如圖4所示，當x極化波垂直照射2種天線單元時，反射幅度保持在0 dB附近，天線不會吸收來波，組成陣列后RCS縮減靠在11.5 GHz附近的相位對消實現。當y極化波垂直入射時，反射幅度在9～12.5 GHz時小于-3 dB，可以對入射波進行一定程度的吸收，從而減小天線RCS，同時在14 GHz附近可利用2種單元存在180°的有效相位差來減縮天線的RCS。

圖4 天線單元的散射特性

3 低RCS天線陣列設計與仿真

根據2種天線單元具有相似輻射特性，可以將其組合成為4×4天線陣。同時根據2種天線單元的反射特性，組成陣列后其RCS相比同頻段4×4參考天線陣更低，參考天線陣結構如圖5 (a)所示。按照傳統的棋盤排布方式，垂直入射時，利用相位對消原理將法線方向的RCS進行減縮，對于其他方向仍能造成一些較大的散射峰。依據編碼超材料理論，采用非周期的編碼排布方式可使超材料產生不規則的反射，達到一種漫散射效果，使散射能量分布更加均勻，從而降低陣列的峰值RCS。

遺傳算法可高效地計算出使陣列峰值RCS最小時的單元排布方式。2種天線單元在11 GHz時，x極化波垂直入射時反射相位差在有效相位差內，為了對x極化時降低天線峰值RCS，選取11 GHz作為遺傳算法優化非周期排布的頻率參數。最終得到設計天線陣如圖5 (b)所示。

圖5 天線陣列

對天線陣中所有單元等幅同相饋電，仿真增益曲線如圖6所示，設計天線陣的增益穩定在16 dBi以上，且高于參考天線陣的增益值。設計天線陣輻射方向圖的仿真結果如圖7所示，天線陣的副瓣較小，輻射方向性較強，且交叉極化總體保持在較低水平。仿真表明該天線陣總體輻射性能良好。

圖6 天線陣列增益仿真曲線

圖7 設計天線陣列輻射方向圖

對天線陣的散射特性進行仿真，當電磁波垂直照射時，其單站RCS特性曲線如圖8所示。可以看出，相比于參考天線陣，設計天線陣的RCS值減縮明顯，當x極化波照射時，RCS減縮帶寬為8～15.9 GHz，最大減縮量為17.1 dB，主要由2種天線單元的反射波相互抵消所致；當y極化波照射時，RCS減縮帶寬為9.5～16 GHz，最大減縮量為13.1 dB，由2種天線單元對來波的吸收和反射波相互抵消共同作用所致。

圖8 天線陣法線方向上單站RCS特性

由于采用非周期編碼，RCS并不只考慮在法線方向上的減縮，而是對整個空間全盤考慮，使其RCS峰值最小，對11 GHz時天線陣的三維散射場如圖9所示。

x極化波照射下，設計天線陣的峰值RCS為-15.5 dBsm，相較于棋盤式天線陣，其整個散射場在空間中的分布比較均勻，RCS峰值明顯低于棋盤式天線陣；y極化波照射下，其與棋盤式天線陣的散射場都較為均勻的分布在整個空間中，但總體來看，其RCS峰值仍比棋盤式天線陣低。

為更好說明本文設計天線陣的特點，現將所做工作與文獻[15～17]進行對比，結果如表2所示。本文采用不同于其他文獻非周期布陣方式，因而出現了漫散射現象，同時具備了良好的輻射性能。

表2 本文與文獻[15～17]所設計天線陣性能對比

4 天線陣列加工與測試

為驗證所設計天線陣列的性能，對其結構進行軟件仿真并進行實際樣品的測試，實際天線及測試環境如圖10所示。

圖10 天線陣列實測

設計天線陣的實測增益曲線如圖11所示，實測結果較仿真整體略有降低，但隨頻率增加而升高的趨勢不變。個別頻點實測增益大于仿真增益，可能是由實物陣列在該點處|S11|要低于仿真值導致。設計天線陣的實測方向圖如圖12所示，可以看出實測結果與仿真結構擬合較好。

圖11 設計天線陣的增益曲線

圖12 設計天線陣輻射方向圖

實測天線陣列在法線方向上的單站RCS減縮曲線如圖13所示。從實測結果來看，減縮頻段往高頻偏了約100 MHz，有可能由于加工誤差以及裝配誤差導致，整體上與仿真結果相吻合。在對陣列4角打固定孔后進行后仿真實驗，發現RCS曲線向右頻移了約50 MHz，是該誤差的主要來源。

圖13 天線陣法線方向上單站RCS特性

5 結論

本文設計了一種基于輻射散射一體化技術的低RCS貼片天線陣列，通過將具有相似輻射特性而在特定頻段反射相位相差180°的2種天線單元按4×4方式組陣。利用遺傳算法高效尋找出能使天線陣列RCS峰值最低的非周期排布方式，使天線陣列達到漫反射效果。天線陣列具有良好輻射特性，方向圖良好并且副瓣較低，增益較參考天線陣有所提高且穩定在16 dBi以上。天線陣同時具有低RCS特性，相較參考天線陣，入射波為x極化與y極化時，RCS分別在8～15.9 GHz與9.5～16 GHz有所減縮，最大減縮量分別為17.1 dB和13.1 dB；在x極化波入射時，非周期的排布方式使其較傳統的棋盤布陣方式散射場分布更加均勻，峰值RCS也更小。該天線陣無需在周圍利用其他超材料來幫助其減小RCS，有效的控制了陣列的口徑。該低RCS天線陣列設計方法不同于傳統方法，為直接設計低RCS天線陣提供了一個新的思路，具有一定的研究價值。