朱長春，何 銀

(1.陜西省計量科學(xué)研究院，西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710129)

fractal antenna

近年來，隨著軍事隱身技術(shù)的迅速發(fā)展，各軍事大國在隱身技術(shù)的研究領(lǐng)域投入了巨大的人力物力.其中，微帶貼片天線由于其自身結(jié)構(gòu)簡單，低剖面，易于布陣等特點，在隱身平臺的設(shè)計過程中得到了大量的使用.出現(xiàn)了多種新型的天線雷達散射截面(Radar Cross Section,RCS)縮減方案[1-13].例如對微帶貼片天線，在其與人工磁導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，可以得到帶內(nèi)、帶外RCS的同時縮減.但是這種方法的不足之處是很難實現(xiàn)寬角度范圍內(nèi)的天線RCS縮減[1].此外，微帶貼片天線作為一種窄帶天線結(jié)構(gòu)，集總電阻加載將不可避免地對天線輻射性能造成一定程度的影響[2].通過在貼片表面開槽可以阻斷高次模感應(yīng)電流的流動，這是縮減天線RCS的一種常用方法[3]，這種方法實用性很好，但是由于開槽過程不影響主模電流的流動，因此僅可以縮減帶外RCS，因此實際使用中，常與其他方法相結(jié)合使用.簡單意義上講，天線的尺寸越小，同條件下其RCS越小，因此縮小天線的尺寸是一種有效的RCS縮減手段[4].但是，天線尺寸尤其是貼片尺寸下降的同時將會引起天線輻射增益的劇烈下降.在微帶天線上加載短路針或者短路片是有效的實現(xiàn)天線小型化的方法，可在保持天線的輻射特性基本不變的前提下取得良好的RCS縮減效果.

本文給出了兩種低RCS微帶貼片天線結(jié)構(gòu)，分別是基于開槽技術(shù)以及分形技術(shù)[5]的低RCS天線.兩種結(jié)構(gòu)可以在1～12 GHz的較寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的RCS縮減效果.綜合縮減效果集中在5～20 dB之間.

1 天線散射理論分析

建立如圖1所示的的天線散射理論模型，a0與b0為饋電傳輸線參考平面S1的入射波幅度和出射波幅度.將天線外空間場按照球面波展開式展開為

(1)

其中ai與bi分別為外空間球面上的第i個入射波與出射波的幅度值.通過散射矩陣的變換，可以推導(dǎo)出天線散射場幅度的表達式為

(2)

由式(1)～(2)推導(dǎo)出天線散射基礎(chǔ)理論公式為

(3)

簡記為

Es(Z1)=Es(Zc)+Ea(Z1)

(4)

圖1 天線散射機理示意圖

由此可知，天線的RCS主要是由天線結(jié)構(gòu)項RCS和天線模式項RCS兩部分組成.當(dāng)入射波激勵時，由于負載與天線不匹配，從而會導(dǎo)致二次輻射，由此產(chǎn)生的RCS是天線模式項RCS，該RCS隨著天線負載的情況而變化.而天線結(jié)構(gòu)項RCS則與天線負載無關(guān)，其散射機理與普通散射體一致，由天線的外形決定.

在天線RCS縮減技術(shù)研究中，一般假設(shè)天線匹配情況良好，忽略天線模式項RCS對天線RCS的影響，只研究天線結(jié)構(gòu)項RCS.因此，本文采用開槽、加短路針及分形技術(shù)等方法，縮減天線結(jié)構(gòu)項RCS，從而實現(xiàn)天線RCS縮減.

2 低RCS微帶天線設(shè)計

選用諧振頻率為2.45 GHz的微帶貼片天線為參考天線Ant1.結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 天線Ant1結(jié)構(gòu)

參考天線在頻率為2.45 GHz時S11=-43.6 dB，在最大輻射方向上的輻射增益為4.25 dB，半功率波瓣寬度為2θ0.5=76°.地板采用相對介電常數(shù)為4.4的FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板.

針對垂直入射的情況下地板以及貼片表面的鏡像反射，采用地板中心開槽的設(shè)計方案.觀察地板表面感應(yīng)電場的分布之后，將開槽的位置集中在天線貼片與地板的重合位置.分別在地板的(L/4,W/4)、(0.4L,0.4W)、(-0.4L,0)、(0,0.4W)等12個位置上開半徑為R1=2.5 mm的圓形孔槽.同時將原有參考天線Ant1的地板尺寸由2W×2L縮減為1.4W×1.4L.

針對斜入射情況貼片表面感應(yīng)電場分布的邊緣效應(yīng)，選擇在貼片上 (±L/2,±W/4)、(0，±W/2) 6個點處開半徑為R2=4 mm的半圓形槽.

針對貼片表面的感應(yīng)電場分布，分別在(0.5，-6)和(0.5，6)這兩個感應(yīng)電流相對集中的點，放置半徑為0.6 mm的銅芯短路探針.

針對貼片表面的散射時的高次模分量，在貼片表面(-15.1，-5)和(-15.1,4)處開寬為1 mm長為8 mm的矩形槽，在(9.1,-5)和(9.1，4)處開長為6 mm寬為1 mm的矩形槽，同時在(-8.8，-10)以及(-8.8,10)處分別開兩個一階Koch分形鋸齒槽.天線Ant2的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示.

圖3 線Ant2結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Ant2 antenna

S11參數(shù)如圖4所示，輻射方向圖如圖5所示.天線Ant2的最大輻射方向上的輻射增益為3.12 dB，相對于參考天線Ant1下降了1.13 dB.

天線Ant2的散射性能如圖6所示.在垂直入射下，天線Ant2可以1～12 GHz的寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的RCS縮減效果.斜入射時天線Ant2在高頻端的RCS縮減效果明顯優(yōu)于低頻段，最大縮減幅度達到20 dB.

圖4天線Ant1和Ant2的S11參數(shù)

Fig.4S11parameters of Ant1 and Ant2 antennas

圖5 天線Ant1和Ant2的輻射方向

圖6 天線Ant1與Ant2的RCS對比

3 分形天線設(shè)計

天線Ant3的結(jié)構(gòu)如圖7所示.微帶貼片天線的輻射邊W=30 mm，諧振邊L=29.4 mm，饋源的坐標(biāo)點優(yōu)化為(6.0，0).同時在貼片表面(-0.3，-10)和(-0.3,9)處分別開長為13 mm寬為1 mm的矩形槽，在(-12，-14)和(-12，13)處開長為10 mm寬為1 mm的矩形槽.天線Ant3的S11參數(shù)如圖8所示，天線Ant3的諧振頻率為2.46 GHz，相比于參考天線Ant1變化不大.輻射方向圖如圖9所示，Ant3在最大方向上的輻射增益為3.29 dB，相比于參考天線Ant1下降0.96 dB.

圖7 天線Ant3結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of Ant3 antenna

散射性能如圖10所示，在垂直入射時，天線Ant3可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的RCS縮減效果.斜入射情況下，天線Ant3在高頻端的RCS縮減效果明顯優(yōu)于低頻段.在當(dāng)θ=75°，φ=30°，入射頻率為7.3 GHz時，最大縮減效果達到15 dB.

圖8 天線Ant1和Ant3的S11參數(shù)

圖9 天線Ant1和Ant3的輻射方向

4 結(jié) 論

1) 本文設(shè)計的天線的RCS縮減特性與參考文獻中的天線RCS縮減性能相比較，低RCS天線可以達到對帶內(nèi)、帶外的RCS同時減縮，在大角度斜入射的情況下，RCS減縮效果明顯.

2) 利用開槽技術(shù)、分形技術(shù)以及天線小型化技術(shù)設(shè)計了兩款低RCS微帶天線模型，兩款天線在1～12 GHz的頻范率圍內(nèi)取得了良好的RCS縮減效果，綜合縮減效果集中在5～20 dB之間，達到了微帶天線RCS減縮的目的.