王夫蔚， 李 珂， 任宇輝

(西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127)

雷達(dá)截面(Radar Cross Section， RCS)是表征物體散射特性的重要指標(biāo)，是指電磁波照射時(shí)物體在某一方向上返回散射功率的量度．雷達(dá)截面既與目標(biāo)的材料、尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)等幾何或物理參數(shù)相關(guān)，也與照射電磁波的參數(shù)有關(guān)，同時(shí)目標(biāo)和電磁波夾角也會(huì)對(duì)雷達(dá)截面造成影響[1-2]．飛行器和艦艇的雷達(dá)隱身性能主要取決于它們雷達(dá)截面的大小，其隱身技術(shù)主要集中在通過各種方法減小飛行器和艦艇對(duì)雷達(dá)探測波的有效散射截面上，達(dá)到降低敵方雷達(dá)作用距離的目的．

天線系統(tǒng)作為武器平臺(tái)通信、作戰(zhàn)環(huán)節(jié)的重要組成部分，必不可少地分布于武器或目標(biāo)平臺(tái)的各個(gè)位置．更進(jìn)一步考慮，對(duì)于武器平臺(tái)本身雷達(dá)截面已經(jīng)很大程度降低以后，其天線的雷達(dá)截面則相對(duì)較為明顯，天線的雷達(dá)截面控制問題也就逐漸顯現(xiàn)，最終使得天線的隱身性能成為影響整體平臺(tái)隱身性能好壞的一個(gè)重要因素．與一般目標(biāo)平臺(tái)不同的是，天線首先要保證自身良好的性能，即輻射性能，這就導(dǎo)致常規(guī)的目標(biāo)隱身方式(外形設(shè)計(jì)，吸波材料等)直接應(yīng)用于天線隱身當(dāng)中時(shí)會(huì)遇到很多問題．因此，天線系統(tǒng)隱身性能的好壞，就成為整體作戰(zhàn)平臺(tái)隱身技術(shù)中亟待解決的關(guān)鍵問題之一[3-5]．

由于極化旋轉(zhuǎn)表面(Polarization Rotation Surfaces， PRS)能夠改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方向，逐漸地出現(xiàn)在天線的雷達(dá)截面減縮研究中[6-7]．極化旋轉(zhuǎn)表面在用于天線或普通金屬目標(biāo)的雷達(dá)截面減縮時(shí)，首先電磁波入射至極化旋轉(zhuǎn)表面并反射，利用棋盤式分布使得不同區(qū)域內(nèi)的反射波極化相反(即存在180°的相位差)，則不同區(qū)域的反射波在反射后由于相位差而相互抵消，進(jìn)而降低了該部分的雷達(dá)截面．但是極化旋轉(zhuǎn)表面在天線雷達(dá)截面減縮中使用時(shí)，會(huì)造成天線本身剖面的增大以及破壞輻射特性等情況，阻礙了極化旋轉(zhuǎn)表面在天線雷達(dá)截面減縮中的進(jìn)一步應(yīng)用．

可重構(gòu)技術(shù)是指通過具有動(dòng)態(tài)可變的特定功能部件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在一定輸出信號(hào)作用下性能動(dòng)態(tài)可調(diào)．近年來，可重構(gòu)技術(shù)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于天線的設(shè)計(jì)之中．早期的研究主要集中在通過調(diào)整輻射結(jié)構(gòu)來改變電流分布進(jìn)而達(dá)到天線輻射特性，例如工作頻率、方向圖以及極化的可重構(gòu)[8-10]．與此同時(shí)，超材料由于其特殊的電磁特性越來越受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注．現(xiàn)有的超材料研究主要以無源結(jié)構(gòu)為主，將可重構(gòu)理念用于超材料的設(shè)計(jì)并不多，且多集中在單純的超材料工作頻段變化的可重構(gòu)技術(shù)方面．目前，將可重構(gòu)超材料用于天線設(shè)計(jì)當(dāng)中并不多見，尤其將可重構(gòu)超材料用于天線的雷達(dá)截面減縮更是鮮有報(bào)道．

為了解決上述問題，同時(shí)基于各種綜合因素考慮，筆者提出將可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面作為天線反射板使用，使得極化旋轉(zhuǎn)表面通過二極管控制分為兩種狀態(tài)．當(dāng)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)(即ON-state)時(shí)，極化旋轉(zhuǎn)表面的電磁波極化旋轉(zhuǎn)功能并不工作，則其與一般的金屬板無異，能夠最大限度地保證天線的輻射特性；當(dāng)二極管處于截?cái)酄顟B(tài)(即OFF-state)時(shí)，極化旋轉(zhuǎn)表面正常工作，則該反射板處于低雷達(dá)截面狀態(tài)，天線的單站雷達(dá)截面得到了最大程度的縮減．

1 可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面

圖1 可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面示意圖

首先給出可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面的驗(yàn)證仿真實(shí)例．圖1所示為所設(shè)計(jì)的可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面結(jié)構(gòu)示意圖，極化旋轉(zhuǎn)表面的工作頻段為 6.4～ 10.3 GHz．極化旋轉(zhuǎn)表面是通過在雙面覆銅的聚四氟乙烯介質(zhì)板上蝕刻出的，介質(zhì)板介電常數(shù)為2.2，tanδ為 0.000 9，介質(zhì)厚度為 2 mm．每個(gè)極化旋轉(zhuǎn)表面單元通過二極管相連，并通過貫穿于單元間的金屬線完成統(tǒng)一的偏置電壓加載．可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面的參數(shù)值如表1所示．如圖1所示，若入射波為線極化波，極化方向沿x方向，則該入射波沿 -z方向垂直入射．可將Ei分量分解為p和s兩個(gè)正交的、等幅、同相分量．因此，入射波電場為

(1)

其中，a表示電場在x、s和p方向上的單位矢量．

類似地，電磁波經(jīng)過極化旋轉(zhuǎn)表面后將沿+z軸方向反射，反射波電場為

其中，Γ=Γexp(jφ)，表示反射系數(shù)；下標(biāo)ss、ps、sp和pp分別表示p、s極化方向上的主極化分量和交叉極化分量．

由于單一分量的線極化波經(jīng)反射后極化方向保持不變，則取Γps=Γsp=0．要使反射波電場Er轉(zhuǎn)換為y軸方向(和x方向的Ei相比旋轉(zhuǎn)90°)，其在p和s方向上的分量必須滿足幅度相同，且相位相反，即

Γss=Γpp=Γ， Δφ=φss-φpp=2nπ+π ．(3)

此時(shí)，有Er=ΓEi0exp(j(-kz+φpp))ay，最終x方向極化的入射波轉(zhuǎn)換成了y方向極化的反射波．

表1 極化旋轉(zhuǎn)表面參數(shù)值

圖2給出了二極管截?cái)嗷驅(qū)〞r(shí)，極化旋轉(zhuǎn)表面的反射系數(shù)變化情況．如圖2(a)所示，在二極管截?cái)鄷r(shí)，極化旋轉(zhuǎn)表面的工作頻段為 6.4～ 10.3 GHz，實(shí)線為主極化，虛線為交叉極化．在工作頻段內(nèi)，電磁波均能夠有效地由主極化轉(zhuǎn)換為交叉極化．在二極管截?cái)鄷r(shí)，如圖1所示的排布方式使得散射波在空中抵消，最終達(dá)到雷達(dá)截面減縮的目的．圖2(b)所示為二極管導(dǎo)通情況下的反射系數(shù)，其中主極化反射系數(shù)大于 -0.1 dB，交叉極化反射系數(shù)小于 -15 dB，則在二極管導(dǎo)通時(shí)該反射板與一般的金屬板無異．因此，該反射板可以在金屬板與低雷達(dá)截面反射板間相互切換．

圖3所示為二極管截?cái)嗷驅(qū)〞r(shí)，極化旋轉(zhuǎn)表面的反射系數(shù)隨入射角變化的情況．隨著入射波與法線夾角逐漸增大，入射波的電場方向發(fā)生改變．此時(shí)，入射波電場方向并不沿x軸方向，或在x方向只存在x分量．因此，經(jīng)過極化旋轉(zhuǎn)表面后沿y軸方向的電場也僅為y分量．隨著角度變大，x以及y方向分量逐漸減小，所以隨著角度變化，極化旋轉(zhuǎn)特性會(huì)逐漸變差．可以看出，隨著角度的逐漸變大，極化旋轉(zhuǎn)表面的極化轉(zhuǎn)化特性逐漸減弱，但是在入射波角度小于45°的情況下，主極化反射系數(shù)均能維持在 -5 dB 以下．

圖2 可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射系數(shù)

圖3 可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射系數(shù)隨角度變化的曲線

圖4 使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射板以及金屬反射板的天線實(shí)物圖

圖5 準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)圖

2 可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面在天線雷達(dá)截面減縮中的應(yīng)用

為了說明該方案的有效性，針對(duì)之前給出的可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面模型，使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面置換金屬反射板的方法，對(duì)使用前后準(zhǔn)八木天線的輻射散射特性進(jìn)行分析．圖4所示分別為準(zhǔn)八木天線使用普通金屬板、可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射板的實(shí)物圖．圖5所示為準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)圖，天線的基本參數(shù)如表2所示．

表2 準(zhǔn)八木天線參數(shù)值

圖6 準(zhǔn)八木天線S11比對(duì)曲線

當(dāng)天線處于工作狀態(tài)(即二極管處于ON-state狀態(tài))時(shí)，分別仿真及實(shí)測了準(zhǔn)八木天線使用普通金屬板以及筆者所提出的可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面的性能．圖6所示為使用兩種反射板時(shí)天線的仿真及實(shí)測S11，可以看出天線的工作頻帶為 6.3～ 10.3GHz，且使用兩種反射板時(shí)的S11基本保持不變．圖7所示為使用兩種反射板時(shí)準(zhǔn)八木天線的輻射方向圖實(shí)測結(jié)果．如圖中所示，使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面后準(zhǔn)八木天線的輻射方向圖與使用金屬反射板的天線輻射方向圖吻合良好，天線增益損失約 0.5dB．由以上分析可得，在天線的工作頻帶內(nèi)，使用ON-state狀態(tài)下的頻率選擇表面反射板能夠最大限度地保證天線的輻射性能．

圖7 天線輻射方向圖比對(duì)曲線

為了驗(yàn)證使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面的雷達(dá)截面減縮效果，對(duì)可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面的單站雷達(dá)截面進(jìn)行仿真以驗(yàn)證方法的有效性．設(shè)置入射波沿天線結(jié)構(gòu)表面、垂直于反射板照射．在平面波照射下，天線的單站雷達(dá)截面隨頻率的變化如圖8所示．圖8(a)所示為φ極化下入射波照射的單站雷達(dá)截面對(duì)比曲線，從圖中可以看出，與理想電導(dǎo)體反射板相比，雷達(dá)截面在 6～ 12GHz范圍均有不同程度的縮減，其中在 6.8GHz時(shí)，最大縮減量可達(dá) 25dB．圖8(b)所示入射波為θ極化，雷達(dá)截面減縮頻段與圖8(a)中的類似，其中 6.8GHz時(shí)的最大減縮量可達(dá) 16dB．仿真結(jié)果說明，將可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面用于天線雷達(dá)截面減縮的方法是有效的．

圖8 單站雷達(dá)截面隨頻率變化的曲線

為了進(jìn)一步說明使用該方法的雷達(dá)截面減縮效果，圖9及圖10給出了使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射板前后天線的單站雷達(dá)截面隨角度變化的仿真曲線，中心頻率為 9GHz．圖9所示入射波極化為φ極化．如圖9(a)所示，使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射板時(shí)，天線xOz面的雷達(dá)截面減縮區(qū)間為 -50°≤ θ≤ +50°，最大減縮量可達(dá) 10dB以上．圖9(b)給出了天線yOz面上雷達(dá)截面隨角度變化曲線，可以看出雷達(dá)截面的減縮區(qū)間為 -20°≤ θ≤ +20°．圖10所示入射波極化為θ極化，xOz面與yOz面上的準(zhǔn)八木天線單站雷達(dá)截面均有不同程度的縮減，減縮區(qū)間為 -20°≤ θ≤ +20°．

圖9 天線單站雷達(dá)截面隨角度變化比對(duì)曲線圖(入射波φ極化)

圖10 天線單站雷達(dá)截面隨角度變化比對(duì)曲線圖(入射波θ極化)

由圖9和圖10可以看出，在不同極化狀態(tài)下，使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射板的天線單站雷達(dá)截面峰值有所區(qū)別．這是由于入射波是垂直于反射板照射(也就是沿天線表面方向入射)，使用金屬反射板時(shí)天線系統(tǒng)可看成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此單站雷達(dá)截面峰值基本一致．而使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射板時(shí)，由于極化旋轉(zhuǎn)表面的單元結(jié)構(gòu)以及棋盤式排布后的反射板均為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)于不同極化的入射波，散射特性會(huì)有明顯差異．因此，入射波為不同極化時(shí)，天線的單站雷達(dá)截面峰值會(huì)有明顯區(qū)別．綜上所述，當(dāng)反射板處于OFF-state狀態(tài)時(shí)，天線雷達(dá)截面在一定角度范圍內(nèi)均有明顯降低，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值．

3 總 結(jié)

筆者提出一種采用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面置換一般金屬反射板的方法，用以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)八木天線的天線雷達(dá)截面減縮，并能夠最大限度地保留天線輻射性能．通過二極管對(duì)極化旋轉(zhuǎn)表面進(jìn)行控制，使其能夠在一般金屬板以及低雷達(dá)截面板間相互切換．仿真及實(shí)測結(jié)果表明，在保證天線輻射特性不被破壞的同時(shí)，當(dāng)使用可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面反射板時(shí)，準(zhǔn)八木天線的單站雷達(dá)截面最大減縮可達(dá) 25 dB 以上，減縮角域?yàn)?-20°≤θ≤ +20°．

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