（无线电物理专业论文）低rcs微带阵列天线研究.pdf

摘要 摘要 本文介绍并研究了微带平面贴片天线阵列的雷达散射截面( r a d a rc r o s ss e c t i o n ， r c s ) 缩减技术。 第一章对雷达散射截面的概念和应用背景进行了简介，并着重强调了天线的 雷达散射截面与普通物体的雷达散射截面的不同。 第二章讨论了微带阵列天线r c s 的缩减方法。这些方法若按形态分类，可以 分为单元r c s 缩减技术和阵列r c s 缩减技术。若按作用时间分类，可以分为r c s 全时缩减和非全时缩减两类。本文主要采用后一种分类方法进行研究讨论。 在r c s 全时缩减方面，本文在第三章首先介绍了圆形孔径、缺陷地结构和短 路探针对矩形贴片天线r c s 的影响。最后综合优化出了一个具有两个圆形孔径， 一个缺陷地结构和一个短路探针的低r c s 贴片天线。与原天线相比，这个新天线 在一个极宽频率范围内的r c s 都得到了缩减，并且其回波损耗和辐射方向没有受 到影响，它的增益的损耗也是可以接受的。 在r c s 非全时缩减方面，第四章提出了一种新型的可重构八木介质基片。这 种基片由刻蚀在其上的八木微带阵构成。将这种基片直接覆盖在金属地或平面贴 片天线上，可以在某些频率上使正入射雷达波的反射方向发生偏转，从而减小其 单站雷达散射截面。为了保证在天线的工作，可以采用可重构技术，使天线的辐 射特性得到保持。进一步对其采用可重构技术，可改变其具有最低r c s 所对应的 频率来扩展低r c s 的频段。这样，采用这种可重构八木介质基片可以在一个较宽 的频带范围内降低目标的r c s 。 第五章对全文的主要工作进行总结，并对可重构八木介质基片运用于天线 r c s 缩减的进一步的工作作出了展望。 关键词：雷达散射截面，缩减，贴片天线阵列 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t i nm i st h e s i s ，r a d a rc t o s ss e c t i o n ( r c s ) r e d u c t i o no fm i c r o s t r i pp l a n a rp a t c h a n t e n n aa r r a yi si n t r o d u c e da n dr e s e a r c h e d i nc h a p t e ro n e ，t h ec o n c e p ta n da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fr c sa r eb r i e f l y i n t r o d u t e d a n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e na n t e n n ar c sa n do r d i n a r yr c sa r e e m p h a s i z e di nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e rt w o ，t h em e t h o d so fr e d u c i n ga r r a ya n t e n n ar c sa r ed i s c u s s e d t h e s e m e t l l o d sa r ed i v i d e di n t ot w oc l a s s 髓a c c o r d i n gt ot h ec o n f o r m a t i o n t h ef i r s to n ei s r e d u c i n gr c so fe a c he l e m e n to fa na r r a y t h es e c o n do n ei st r e a t i n ga na r r a ya sa l l i n t e g e rt or e d u c er c s t h e s em e t h o d sc a l l a l s ob es o r t e di n t ot w ot y p e sa sr c s f u l l t i m er e d u c t i o na n d p a r t - t i m er e d u c t i o na c c o r d i n gt op e r f o r m i n gt i m e i nt h i st h e s i s ， t h el a t t e ri sm a i n l yd i s c u s s e d i nt e r m so fr c sf u l l t i m er e d u c t i o nm e t h o d s ，t h ee f f e c t so fc i r c u l a ra p e r t u r e s ， d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e s ( d o s ) a n ds h o r t i n gp o s t sa r ei n t r o d u c e di nc h a p t e rt h r e e f i n a l l y , ar e c t a n g u l a rp a t c ha n t e n n aw i t ht w oc i r c u l a ra p e r t u r e s ，ad g s a n das h o r t i n g p o s ti so p t i m i z e d c o m p a r e dw i t l lt h eo r i g i n a lp a t c ha n t e n n a , t h er c s so ft h en e w a n t e n n aa l er e d u c e di nal a r g ef r e q u e n c yb a n d a tt h es a n l et i m e , t h er e t u r nl o s sa n d r a d i a t i o np a t t e r na r em a i m a i n e d , a n dt h ed e c r e a s eo fg a i ni sa c c e p t a b l e i nt e r m so fr c sp a r t - t i m er e d u c t i o nm e t h o d s ，an o v e lr e c o n f i g u r a b l ey a g i - u d a s u b s t r a t ei sp r o p o s e di n c h a p t e rf o u r t h i s s t r u c t u r ei s c o m p o s e do fy a g i - u d a m i c r o s t r i pa r r a y se t c h e do n a s u b s t r a t e w h e nt h es t r u c t u r ei sp u td i r e c t l yo nt h et o po fa m e t a lg r o u n do rap l a n a rp a t c ha n t e n n a , t h er e f l e c t i o no f n o r m a li n c i d e n c er a d a rw a v ei s d e f l e c t e da tc e r t a i nf r e q u e n c i e s t h u s ，t h em o n o s t a t i cr c si sr e d u c e d t og u a r a n t e e a n t e n n a sw o r k i n g , ar e c o n f l g u r a t i o nt e c h n i q u ei su s e dt om a i n t a i nr a d i a t i o n u s m gt h e r e c o n f i g u r a t i o nt e c h n i q u ef u r t h e r , t h er e s o n a n tf r e q u e n c yc a nb es h i f t e dt ob r o a d e nt h e l o w e s t - r c sb a n d w i d t h s ot h et a r g e t sr c sc a nb er e d u c e di nab r o a df r e q u e n c yb a n d 、) l ，i t ht h i sr e c o n f i g u r a b l ey a g i u d as u b s t r a t e i nc h a p t e rf i v e ，t h et h e s i si ss u m m a r i z e d a n dt h ei m p r o v a b i l i t ya n dp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n so ft h er e c o n f i g u r a b l ey a g i - u d as u b s t r a t ef o ra r r a yr c sr e d u c t i o na r e f o r e c a s t e d k e y w o r d s ：r a d a rc r o s ss e c t i o n , r e d u c t i o n , p a t c ha n t e n n aa r r a y n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：垒望丕日期：a 。明年f 卢ll yl l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塾篁基导师签名： 日期：叫年f 月r y 日 第一章引言 1 1 研究背景及意义 雷达是迄今为止最有效的远程电子探测设备，它根据目标对雷达波的散射能 量来判断目标的存在并确定目标的位置。雷达的工作频段覆盖了3 m h z 3 0 0 g h z 的 频率范围，但绝大多数雷达工作在微波波段，特别是x 波段( 8 g h z 1 2 g h z ) 和 k u 波段( 1 2 g h z 1 8 g h z ) ，它们是机载雷达最主要的工作频段。现代雷达技术对 各种军用飞机、导弹、舰艇和坦克等目标构成了致命的威胁，成为当前最有效的 远程探测手段。 目标隐身技术是通过减小军事目标对雷达的有效散射截面( r a d a rc r o s ss e c t i o n , r c s ) 的方法，实现降低雷达作用的目的。隐身技术作为提高武器系统生存、突防， 尤其是纵深打击能力的有效手段，己经成为集陆、海、空、天、电、磁六维一体 的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段，并受到世界各国的高 度重视。降低雷达散射截面主要包括外形隐身技术和吸波材料技术等。其中外形 隐身技术是指采用某些非常规的外形设计来降低r c s ，吸波材料技术是指采用雷 达波吸收材料对雷达波进行吸收衰减。但是，采用外形隐身技术会对飞行器的气 动特性和机动特性方面带来问题，采用雷达吸波材料，又会增加重量、体积，带 来表面维护等问题。所以，减少雷达散射截面也是在一个各种相互矛盾的要求之 间达到的一个折衷。而天线跟普通的物体又不一样，天线是一个电磁场辐射体， 在降低其r c s 的同时，还得保证天线的辐射特性，这也是一对矛盾体，需要一个 折衷的方案。由于以上特征，对于天线r c s 的缩减，不能采用上述外形隐身技术 和吸波材料技术两种方法。但是对于天线所产生的雷达散射截面，又不可忽略不 计，这是因为在各种武器或飞行器中，由雷达罩，雷达天线和雷达舱构成的雷达 天线系统是不可或缺的，它会在某些方向产生很强的r c s 贡献。其中，又由于微 带贴片天线具有重量轻、低成本、低剖面、易于共形和制造，易于和有源电路集 成为统一组件等优点，被广泛地应用于空天飞行器中。所以本文主要研究要在保 持天线的辐射特性的前提下，降低微带阵列天线的r c s 。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 雷达散射截面基础 当物体被电磁波照射时，能量将朝各个方向散射，散射场与入射场之和就构 成空间的总场【l 】。从射线的观点来看，散射场包括了因介质波阻抗突变而在物体表 面上产生的反射，以及由于边缘、尖顶等物体表面不连续性引起的绕射等。从感 应电流的观点来看，散射场来自于物体表面上感应电磁流和电磁荷的二次辐射。 散射能量的空间分布称为散射方向图，它取决于物体的形状、大小和结构，以及 入射波的频率、极化等。产生电磁散射的物体通常称为目标或散射体。 当辐射源和接收机位于同一点时，如同大多数雷达工作时那样，称为单站散 射，如图1 - 1 所示。当散射方向不是指向辐射源时，称为双站散射，目标对辐射源 和接收机方向之夹角称为双站角，。因此，前向散射是y = 1 8 0 0 的情况，而单站散 射( 有称为后向或反向散射) 对应于y = 0 0 。在许多散射测量中，常使用相距不远 的分离发射天线和接收天线，严格地说这是一种双站散射，但是由于双站角很小， 测量的结果与真正的单站情形并无差别，故有时称为“准单站散射。 1 厂 单站懒 p 蝴 图1 - 1 单站和双站散射 定量表征目标散射强弱的物理量称为目标对入射雷达波的有效散射截面，通 常简称为目标的雷达散射截面或雷达截面( r a d a rc r o s ss e c t i o n ) ，缩写为r c s 。它 是目标的一种假想的面积，其来源也许是天线研究和设计的结果。因为接收天线 通常被认为是一个“有效接收面积的口径，该口径从通过的电磁波中截获能量， 而出现在接收天线终端的接收功率则等于入射波功率密度乘以暴露在这个功率密 度中的天线有效面积。同样，雷达目标反射或者散射的能量也可以表示为一个有 效面积与入射雷达波功率密度的乘积，这个面积就是雷达散射截面，用符号仃来 2 第一章引言 表示。对单站和双站散射，分别称为单站( 或后向) 雷达截面和双站雷达截面。 通常雷达发射天线和接收天线离目标很远，即到目标的距离远大于目标的任 何有意义的尺寸，因此入射到目标处的雷达波可认为是平面波，而目标则基本上 是点散射体。如果我们假定该点散射体各向同性地散射能量，那么因为散射场依 赖于目标相对于入射和散射方向的姿态，所以假想点散射体的散射强度和雷达截 面都随目标的姿态角而变化，即雷达截面不是一个常数，而是与角度密切相关的 一种目标特性。 雷达截面的定义是基于平面波照射下目标各向同性散射的概念。入射平面波 的能量密度是 w = 1 ，e w = 专阱e ( 1 - 1 ) 7 。o 式中e 和日分别是入射电场和磁场的强度，z o = 风岛是自由空间的波阻抗。 因此雷达截面为盯的目标所截获的总功率为 p = 仃w = 瓦1 仃蝌 ( 1 - 2 ) 度为 嵋= 上4 ，r r 2 = 器( 1 - 3 )嵋2 2 茹 另一方面，散射功率密度又可用散射场e 来表示： 驴，1 7 - e 5 1 2 ( 1 - 4 ) 驴i 由式( 1 3 ) 和式( 1 - 4 ) 可解出 删辫 m 5 ， 因为入射波是平面波，且目标假定为点散射体，所以距离r 应趋于无穷大，因此 3 弘r l i r a4 l r 2 醉e i 掣树辫 m 6 ， 阱w r 叫 这就是雷达截面最基本的理论定义式。因为f 在远场区按1 r 衰减，分子中 的尺2 抵消了距离的影响，即雷达散射截面与距离无关。 雷达截面是一个标量，单位为m 2 ，通常以对数形式给出，即相当于1m 2 的分 贝数( 又称为分贝平方米，记为d b s m ) ，即 跏= 1 0 1 9 t y ( 1 7 ) 雷达散射截面是下列因素的函数： ( 1 ) 目标结构，即目标的形状、尺寸和材料的电参数； ( 2 ) 入射波的频率和波形； ( 3 ) 入射场和接收天线的极化形式； ( 4 ) 目标相对于入射和散射方向的姿态角。 因此，盯通常可以表示为 盯= ( 秒，缈) ( 1 - 8 ) 式中，i 和j 表示入射场和接收天线的极化方向，例如水平极化和垂直极化，而( 护，咖 表示球坐标下的视角。 表1 1 【2 1 为常见不同目标的r c s 近似值，我们可以根据r c s 值的大小来大致 判断目标的种类。 表1 - 1 不同目标的r c s 近似值 日标 r c s ( m 2 ) 鸟类001 导弹0 5 人类 1 小型飞机1 2 自行车 2 小船 2 战斗机 3 - 8 轰炸机 3 0 - 4 0 大型飞机1 0 0 卡车 2 0 0 4 第一章引言 1 3 天线的雷达散射截面 大量的理论和实验研究结果表明，高增益天线( 如飞行器雷达天线) 在某些 视角范围内( 如飞行器头部方向) 要产生很大的雷达散射截面贡献，通常可达到 1 0 d b s m 以上，某些平板缝隙阵列天线的r c s 甚至可高达2 0 - - 3 0 d b s m ，因此天线 是飞行器头部最重要的强散射源之一。另一方面，由于天线是一个导行波和自由 空间波的换能器，它的散射机理就比普通散射体更为复杂。 天线的散射通常包括两个部分：一部分是与散射天线负载情况无关的结构散 射场，它是由于入射平面在天线结构上的感应电流或位移电流所产生的散射场， 其散射机理与普通散射体机理相同。另一部分则是随天线负载情况而变化的天线 模式项散射场，它是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的 散射场，这是天线作为一个加载散射体所特有的散射。因此，天线的总散射场可 表示为 f ( z i ) = f ( 乏) 一( 乏) 乓 ( 1 - 9 ) 式中，f ( z 1 ) 表示散射天线接任意负载z i 时在接收天线处产生的总散射场；e 5 ( 乏) 表示散射天线接以共轭匹配负载z 时的散射场，即结构散射场；鹾表示以单位电 流激励天线时在接收天线处产生的散射( 即二次辐射) 场；，( z 二) 表示共轭匹配时 在天线上激励的电流；r 表示散射天线负载失配时的电压反射系数： f = ( z l z ：) ( z j + z o ) ( 1 1 0 ) 式中，乙表示散射天线的阻抗。显然，式( 1 9 ) 右端第二项表示的模式项散射与天 线的辐射特性有关，其散射的r c s 方向图就等于天线的功率辐射方向图，它所对 应的雷达截面的大小与天线上激励起的电流和天线负载的反射系数有关。 式( 1 9 ) 右端第一项确定了天线的结构项雷达截面仃，第二项给出了天线的模 式项雷达截面吒，它们相对相位叠加构成了天线总的雷达散射截面 ir 一，一1 2 仃= i 吒+ 吒e x p ( j g t ) l ( 1 1 1 ) 式中，沙表示式( 1 9 ) 中两项散射场之间的相对相位差。通常，要解析确定结构项仃。、 模式项以和相位差沙的值是十分困难的，必须求解一组极端复杂的电磁场边界值 问题。 5 电子科技大学硕士学位论文 天线的结构项雷达散射截面q 与天线的形式、结构、材料、尺寸等物理参数 有关，也与入射波的频率、极化、方向等参数有关。由于其散射机理与一般散射 体相同，故可采用一般电磁散射理论的方法来计算结构项吒。 觑蠢 z 图l 一2 发射、散射和接收天线组成的三天线系统 为分析天线的模式项贡献吒，可考察图1 2 所示的三天线系统。假设发射、 散射天线间的距离及散射、接收天线间的距离均为，散射天线的增益方向性函数 a ( o ，力，当入射波场强为e 时，由散射天线所截获的入射波功率可表示为 e = ( e ) 2 s , ( o t ，仍) 鸬1 2 0 7 r ( 1 - 1 2 ) 式中，0 从1 表示发射天线与散射天线之间的极化匹配因子，当两幅天线极化 完全匹配时，以= 1 。当两幅天线极化正交时，m = 0 。s , ( o t ，饵) 表示在发射天线 方向( 即入射波方向( 只，仍) ) 上散射天线的有效接收面积，它可以由散射天线在 该方向的增益系数g ( 2 ，仍) 确定： 疋( 2 ，仍) = g ( 包，仍) 五2 4 7 r ( 1 1 3 ) 当散射天线终端负载不匹配( z l 乏) 时，由式( 1 1 0 ) 确定的电压反射系数r 对应的反射功率为明2 ，这一部分功率通过天线再辐射而在接收天线处产生模式项 散射场e ，其功率密度为 ( e ) 2 1 2 0 7 r = 印2 g ( 9 ，体) 以4 ，r r 2( 1 1 4 ) 式中，0 一l 表示散射天线与接收天线之间的极化匹配因子，g ( p ，孵) 表示在 接收天线方向( 即散射波方向( 2 ，饵) ) 上散射天线的增益系数。将式( 1 1 2 ) - - ( 1 1 4 ) 带入雷达散射截面理论定义式( 1 6 ) 便可求出由于天线再辐射引入的模式项雷达散 射截面： f ； 、 r f r 第一章引言 吒= g ( 2 ，倪) g ( 谚，够) 鸬雕r 2 牙4 z ( 1 - 1 5 ) 上式给出了双站雷达散射截面的表达式。对于单站( 即后向散射) 情况，在雷达 波入射方向上的增益系数g ( p ，织) = g ( 只，纺) = g ，所= 以= j u ，故上式简化为 吒= g 2 2 f 2 兄2 4 7 = s , g , 2 f 2 ( 1 1 6 ) 当天线极化匹配( = 1 ) 且天线负载全反射( f = 1 时) ，模式项雷达散射截面的 最大值为 吒= g 2 见2 4 z = sg( 1 - 1 7 ) 由此可见，吒与g 2 成正比，在雷达波入射方向上的天线增益越高，模式项的单站 r c s 值就越大。 天线模式项和结构项散射场之间的相位差沙是一个十分难于计算和模拟的物 理量。沙的值可从0 变到2 石，因而天线的总r c s 由式( 1 1 1 ) 给出一个变化范围： r 一r 一l r 一，。一i 二 o r m i n = l 吒一t l 仃f g + 吒l = q 。 ( 1 1 8 ) 通常，为粗略估算一副天线的r c s ，可近似认为仃。和吒有相同的数量级，且 杪= 0 ，于是天线的雷达散射截面可近似为 o r g 2 名2 z = 1 6 7 r v 2 疋2 2 2 ( 1 1 9 ) 式中，g 为天线增益，是为天线1 ：3 径几何面积，l ，为天线口径利用效率。上式表 明，对于一副给定的天线，入射波频率越高，天线的r c s 就越大。 综上所述，天线的雷达散射截面由两部分构成。第一部分就是结构散射项， 第二部分就是天线模式散射项。结构散射项是当天线处于共轭匹配的时候，由入 射场激励的电流产生的，与天线的负载无关。模式散射项仅仅是天线辐射特性的 函数，这一项是由于天线不匹配而照常接受功率再次辐射所引起的，若天线是完 全匹配的，则模式项的散射将为零。 1 4h f s s 软件简介 h f s s 是高频结构仿真器( h i g hf r e q u e n c ys 仃u m 鹏s i m u l a t o r ) l 拘缩写，是基于有 限元法的高性能的全波电磁场仿真器。采用类似于m i c r o s o f tw i n d o w s 的图形用户 界面，集成了实体模型输入、自动设置网格、精确仿真和图形化后处理等功能。 h f s s 可以用于计算s 参数、谐振频率和场，被广泛地应用于射频和微波部件、天 7 电子科技大学硕士学位论文 线和天线阵及天线罩，高速互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统部件的 电磁兼容电磁干扰特性的设计当中。 对于普通物体和天线的r c s ，有大量的文献证明，h f s s 的仿真结果与实际的 测量结果基本保持一致。所以，本文的结果如未加说明，均为采用h f s s 仿真后所 得到的结果。 1 5 本论文的主要内容和特色 由于微带阵列天线的广泛的应用和其r c s 缩减的难度，本人在大量阅读文献 资料、充分调研理论知识和研究进展的基础上，首先综合了一些降低天线r c s 的 方法( 包括开槽、缺陷地和短路针结构等) ，使其应用于同一个阵元上来降低雷达 散射截面。通过降低阵元的r c s ，使整个阵列天线的r c s 降低。采用了h f s s 对 其仿真，结果显示在一个很宽的频带上天线的r c s 得到了降低，验证了方案的正 确性。其次，在对r c s 缩减技术的更深入的研究中，提出了自己独创的雷达截面 缩减技术，即加载可重构八木介质基片技术。使微带贴片天线的正入射单站r c s 得到降低。通过可重构技术，可以使目标的r c s 在一个较宽频带上得到缩减，并 且在天线工作时不影响天线的辐射特性。采用h f s s 和c s t 对比仿真，验证了思 路的正确性。将这种可重构八木介质基片运用于天线阵列当中，其r c s 缩减效果 仍然明显。 本论文安排如下： 第一章介绍了研究的背景及意义，阐明了雷达散射截面的定义以及天线的雷 达散射截面与普通物体的区别。 第二章对微带天线雷达散射截面缩减的研究状况进行了总结分析，简要介绍 了微带阵列天线的建模计算。 第三章研究了开槽、缺陷地、短路针结构综合法降低微带天线的雷达散射截 面。 第四章研究了采用可重构的八木介质基片降低微带天线的方法的原理及应 用。 第五章对本文的总结和继续深入研究的展望 8 第二章微带阵列天线雷达散射截面缩减技术概况 第二章微带阵列天线雷达散射截面缩减技术概况 2 1 微带天线r c s 缩减技术简介 微带贴片天线由于具有重量轻、低剖面、易于共形和制造的优点，被广泛地 应用于空天飞行器。雷达散射截面是飞行器隐身能力的一个重要指标。飞行器的 隐身手段主要包括：外形隐身技术、吸波材料隐身技术、无源有源加载技术等， 这些技术手段可以帮助降低r c s 。飞行器上的天线是一个电磁场辐射体，若采用 吸波材料或者改变其形状，将会严重影响天线辐射性能，所以不能对天线直接采 用以上降低r c s 的方法。目前，天线罩、频率选择表面( f r e q u e n c ys e l e c t i v es u r f a c e ， f s s ) 、吸波材料等单项技术在降低r c s 上已经有一些研究成果可以借鉴。但是， 如何将这些技术综合运用于低r c s 天线还有一定的难度。一个天线系统要能够在 全时域全空域全频域实现低r c s 是不可能的，因此采用可重构技术，通过内嵌 集成开关加载阵列来实现按需实时地重构天线的时域空域频域散射特性才是需 要研究的方向。这样可以使天线动态地保持低r c s ，并且在天线工作时不影响天 线的辐射特性。 天线r c s 的缩减一般分为全时缩减和非全时缩减。r c s 全时缩减是指无论天 线工作与否，随时都可以做到低雷达散射截面。r c s 非全时缩减是指，当天线不 工作时，天线的雷达散射截面降低，但天线辐射特性被破坏。而当天线工作时， 天线的辐射特性得到保持，但其r c s 得不到降低。接下来，本章主要从这两大类 上分析介绍微带天线r c s 的缩减技术。 2 2 微带天线r c s 的全时缩减 阵列由单元组成，许多文献已经报道了对单个贴片天线r c s 的缩减方法。这 些方法一般都是通过改变天线的部分结构，牺牲一定的天线性能，使其在一定频 率范围内做到全时的r c s 降低。 在天线表面覆盖损耗介质可以降低天线r c s 。文献 3 】在天线上加载雷达吸波 材料( r a d a ra b s o r b i n gm a t e r i a l ，r a m ) ，使天线的r c s 减小了7 6 d b ，但是天线的 辐射效率从8 3 降低到了3 5 。文献 4 详细研究了天线r c s 、辐射效率、谐振频 o 电子科技大学硕士学位论文 率随介质基板的厚度和损耗角正切、介质盖板的厚度和损耗角正切的变化。由分 析可知，天线r c s 跟天线辐射效率和增益的平方成正比。加载损耗介质盖板虽然 可以有效降低天线的r c s ，却是以降低天线辐射效率和增益为代价。虽然可以加 大输入功率来保持天线功能，但显然不是一个好的解决方法。 在微带天线四个角上加载电阻，r c s 缩减幅度很大，但计算表明，这种情况 下天线已不能正常辐射电磁波。文献【5 研究了在微带贴片的左下角特定点加载 5 0 f ) 的阻抗，这种加载可以使r c s 在4 1 0 g 的频率范围得到较好的缩减，r c s 在天线谐振点附近下降1 8 d b 。这种结构在天线性能和天线r c s 之间达到了一个平 衡。文献 6 】在微带贴片周围加载一圈分布式电阻围裙，使天线在高于5 g h z 的频 率上r c s 大约降低1 0 d b ，而在谐振频率上增益降低大概3 5 d b 。与在贴片四个角 上加载电阻的天线相比较，其对天线增益的影响减少5 5 d b 。但是这种分布式加载 电阻的方法会将天线的面积扩大许多倍，实用性并不强。 在微带天线上开槽，可以截断电流方向，使电流一部分以位移电流连续，另 一部分在槽两端分流，分流电流在槽两边方向相反，从而改变r c s 的大小。另外， 电流沿槽周围弯曲的路径流动，增加了电流线的电长度，从而在保持谐振频率相 同的情况下减小了天线面积，达到r c s 减缩的目的【1 瑚】。 加载短路探针也可以减少天线的r c s 7 9 1 。在贴片和地之间加入的短路探针， 对电磁场的分布起了一个扰动的作用，改变了天线的高次谐振特性，使天线的r c s 峰值偏离原来的频率，离开容易被雷达探测到的危险区域【l o 】。 加载槽和短路探针，都可有效降低r c s ，且对天线的辐射特性影响不大。但 为了对沿不同方向的入射波均做到r c s 缩减，加载槽的复杂程度会大大增加。而 且对于靠近法线方向的入射波，这种方法对其r c s 的缩减几乎不起作用。 2 3 微带天线r c s 的非全时缩减 另一种方法是非全时地缩减天线r c s 。当天线工作时，其结构不发生变化， 不影响辐射特性，r c s 也不改变。当天线不工作时，通过可重构技术，改变天线 结构的反射特性，降低其r c s ，使其不被雷达发现。 在文献 1 1 】中，基片与接地板之间用一根或两根活动的绝缘杆分开，天线馈电采 用侧馈。当天线工作时，拉下绝缘杆，天线与一般的微带天线结构相同，天线性能不受 影响；当天线不工作时，撑起绝缘杆，这相当于在天线结构中加入了一层很厚的空气 1 0 第二章微带阵列天线雷达散射截面缩减技术概况 介质，使得贴片与接地板之间的场大大减弱，天线的谐振性能降低，从而可以减小 r c s 的谐振峰值，减缩效果为5 1 0 d b 。该减缩方案对于微带阵列是同样适用的。 该方法属于机械式调整，并且天线的垂直位置也发生了变化，必然会带来很多问 题，比如调整频率不能过快，天线位置升高改变空气动力学特性等。 另一种方法是在贴片与接地板之间引入一个开关负载。当天线工作时，使负 载开路，工作模式电流不受影响。当天线不工作时，闭合开关，把负载接入电路，由 于负载会干扰贴片上的感应电流，影响其谐振特性，从而实现r c s 减缩目的。 在天线上加载铁氧体材料的介质基片，通过改变偏置电压，可在较宽频率范 围内调整r c s 最大值所对应的频率，将r c s 最大值对应的频率调整到雷达频率以 外，避免被雷达发现【1 2 。14 】。另外一种利用铁氧体材料作为基片的方法是在天线工 作时不外加偏置电压，天线正常工作；当天线不工作时，对铁氧体材料加一定的 偏压，使其处于一个截止状态，则天线的r c s 将会在一个较大的频率范围内极大 减少，但同时天线的辐射特性消失，不能有效辐射出电磁波 15 1 。 利用f s s 的选频滤波特性，可以实现在自身工作频段以外的r c s 缩减。比如 利用金属屏开孔的带通型天线罩，实现天线罩在带外的全反射，从而屏蔽了罩内 雷达天线的强反射，而罩的流线型几何外形本身提供了一个鼻锥方向的低r c s 特 性【l j 。文献 1 6 】将f s s 结构用于地板上，也可以有效降低4 8 g 的r c s ，虽然其结 构是针对反射阵列天线，但对普通阵列天线也应该有作用。文献 1 7 】中，采用金属 杆在空间周期性排列形成两层金属电子带隙( m e b g ) 结构，如图2 1 所示。m e b g 有两种排列方式，其中一种排列方式使m e b g 工作在传输状态，对特定波长波的 传输没有影响，称为状态一；另一种排列使金属杆的间隔周期为波长的一半左右， 则波传播在第二层上会产生大的副瓣，从而使能量向两侧发散，这种情况称为状 态二。天线工作时将两层m e b g 结构均处于状态一，则不会影响天线的性能。天 线不工作时，将第二层m e b g 结构处于状态二，则波束被限制在第一层m e b g 和 天线之间，最终从m e b g 天线罩两侧发射出来，达到减少天线r c s 的功能。但这 种结构只能减少天线的单站r c s ，由于其能量向其他方向散射，双站r c s 还可能 会增大。目前这种m e b g 结构仍然存在占用空间面积大，在两种状态之间只能采 用机械调节等缺点。如果将上述m e b g 结构进行平面化，对不同的状态转换采用 开关可重构技术，将散射至其他方向的能量采用吸波材料吸收，则这种结构会有 较好的应用前景。 电子科技大学硕士学位论文 天 线 置 状态一 e b gn o - 2 状态二 图2 1m e b g 工作状态 文献 1 8 报道了一种新型的减少雷达反射截面的方法。这种方法有别于以往采 取s a l i s b u r y 屏或将入射波能量转化成热量的吸收材料，而是将入射波的频谱扩宽， 使其能量分布在很宽的频率范围，则反射波在雷达探测接收频率上的能量就会减 少，相应的也就达到了降低r c s 的作用。与文献 1 9 1 采用地板机械式的振动产生 多普勒效应不同，文献 1 8 q p 禾u 用了一种相位转变屏( p h a s e s w i t c h e ds c r e e n ，p s s ) 来实现频率的扩展。p s s 结构传输线模型如图2 2 所示。p s s 表面的特性导纳可以 在y l 、y 2 之间按一定时间规律交替变化，当y l 、y 2 满足一定取值条件时，其反 射特性类似于s a l i s b u r y 屏，但其一2 0 d b 带宽要宽很多。通过调整y l 、y 2 转换周期 的时间值，可对p s s 的反射系数进行主动调整。为了实现p s s ，文献 2 0 2 1 采用 了两种类似结构来实现p s s 。如图2 3 所示，在对称偶极子或蝴蝶结偶极子中间加 载p i n 二极管，利用一个d c 偏置电路来调控二极管的通断，从而实现表面阻抗 特性的周期变化。文献 2 2 从另外一个方面分析了图2 - 3 ( b ) 的结构，如果不外加周 期变化的偏置电路，一直以同一个电流幅值供电，则图2 - 3 ( b ) 的结构就类似于一个 加载可以改变表面阻抗的s a l i s b u r y 屏。改变电流的幅值大小可以改变结构的反射 特性，从而达到调整其r c s 的目的。 p e c 爹口 l 埘b d 图2 2p s s 两种状态的传输线模型 3 谳 2 3 2 4 尝试将这种结构应用于天线，天线所在平面为p s s 结构所在平面 高度的两倍，如图2 3 的p s s 结构围绕天线分布，经仿真和实验，在很宽的频率 1 2 第二章微带阵列天线雷达散射截面缩减技术概况 范围内可以有效地降低天线的r c s 。但是文献中并未提及天线本身的性能是否会 受到影响。目前这种结构的缺点是p s s 结构的面积要为天线面积的2 倍左右，天 线尺寸变大；另外这种结构的设计过于复杂，p i n 二极管数量很多。如何将这种结 构更加合理有效地应用在天线上，是一个值得进一步研究的问题。 接 ( a ) 对称偶极子中间加载p i n 二极管 参参参 参毒 参誊参 参参譬 参参每 参含参 0 - 馈线 参 毒 ( b ) 蝴蝶结偶极子中间加载p i n 二极管 图2 3p s s 的两种实现方式 2 4 微带天线阵列的建模与计算 计算大型阵列天线的方向图和r c s 所需求解的未知量较多，计算时间较长。 阵列天线通常还会与结构共形，用普通计算方法会得到不准确的值。 文献 2 5 2 6 采用有源单元方向图来计算阵列天线的辐射方向图。有源单元方 向图是在将阵列中的单元除一个接馈源以外全部接上匹配负载的情况下的天线方 向图。而整个天线阵列的方向图为所有的有源单元方向图加权和，加权系数为各 单元的馈电电流和空间相位因子，如下所示： ， 如删= l g ：( p ，缈弦 ( 2 - 1 ) 其中厶是对第万个单元馈入的电流，e ( 秒，缈) 是第刀个单元的有源单元方向图， 是空间相位因子，产是从坐标原点到( p ，伊) 的单位向量，是从坐标原点到第，l 1 3 ，敞 甄f l 一 誊参孑参参 电子科技大学硕士学位论文 个单元的坐标向量。对于一个大型阵列，其有源单元方向图一般分为三种类型， 第一种是阵列内部的有源单元方向图，第二种是阵列边缘的有源单元方向图，第 三种是在阵列内部和阵列边缘之间的有源单元方向图。阵列的远场方向图就可以 表示为： e g o m ，= e ( 目，缈) + e ( 9 ，缈) + e o 。( p ，缈) ( 2 - 2 ) 其中互( 臼，缈) 、e ( 护，缈) 、e o 。( p ，妒) 分别对应上述三种类型的有源单元方向图。其中， _ ， e i ( o ，缈) = g o 熙缈) 1 e 肺 ( 2 - 3 ) i m e ( 乡，伊) = ( 口，咖。 ( 2 4 ) s = l 乙 e o 。( 秒，9 ) = 嘭( 秒，缈) e 纸 ( 2 5 ) m = l g 4 v 是内部有源单元方向图，可以认为均相同，只用计算一次。q 是边缘有源单元 方向图，哦阵列内部和阵列边缘之间的有源单元方向图。由于这种结构已经包含 了各个单元之间的相互耦合作用，其得到的辐射方向图就更加准确。实际计算时 离有源单元较远的单元的耦合作用小，所以可以不需要考虑整个天线阵，只用将 周围单元包含进去形成一个小阵列即可。这种小阵列的大小可以根据对精度和计 算量的综合考虑，确定所包含的单元个数。有源单元方向图方法大大缩减了计算 所需要的参量，缩短了计算时间。 对于共形阵列，可以采用区域分解和互易定理结合的方法计算得到口7 。2 引。考虑一 个嵌入在任意形状电导体的贴片天线，假设远场有一个理想电流源，由互易定理 可以得其在理想电流源方向的电流： 丘五：= 一手胆露。d s ( 2 - 6 ) 工2 5 其中源1 代表的是需要分析的共形贴片天线，源2 是在源1 远场的一个理想电流 源。五：和厶分别是理想电流源的单位矢量和电流强度，总是在理想电流源照射下 在整个电导体上产生的电流的等效切向磁场，厨。是由贴片天线在电导体辐射孔径 上产生的磁流。计算出共形阵中每个天线单元的方向图，可以用下式得到整个阵 列的方向图： 1 4 第二章微带阵列天线雷达散射截面缩减技术概况 ，( 9 ) = e ( o ) i e m 。1 脚螂“尾 ( 2 - 7 ) n = i 其中t 是各个单元激励电流的幅度。 文献【2 8 】还对采用遗传算法确定各个天线的相移尾来进行阵列综合的方法进 行了说明。 对于r c s 的计算，采用的有源单元因子的方法与上类似。与有源单元方向图 不同点是有源单元因子不对阵列单元添加任何激励，而是将整个阵列用平面波照 射，把阵列中间的单个单元的电流分布提出用于计算【2 9 1 。并且这个单元电流分布 的提取，可以采用h f s s 等商业软件进行，从而简化了计算的复杂度。 2 5 小结 本章对天线r c s 缩减的各种方法进行了讨论，分析了它们对天线性能和r c s 的影响。天线r c s 的缩减对于单个矩形贴片天线的研究已经比较深入，但是对于 其他的天线形式研究不多。由于在飞行器上共形阵列天线运用较多，未来的天线 r c s 缩减必然进入对阵列天线r c s 缩减的阶段。对于阵列天线的r c s 缩减，按形 态分，可以分为两类。一是对阵列单元的r c s 进行缩减，如阻抗加载，开槽，加 短路探针等，则阵列整个的r c s 会减少。二是将阵列天线看为一个整体，采用可 重构技术，将天线阵列、频率选择表面、吸波材料等单项技术结合起来，形成一 个多层的可重构低r c s 阵列。按作用时间分，又可以分为全时缩减和非全时缩减 两类。r c s 全时缩减是指无论天线工作与否，随时都可以做到低雷达散射截面。 r c s 非全时缩减是指，当天线不工作时，天线的雷达散射截面降低，但天线辐射 特性被破坏。而当天线工作时，天线的辐射特性得到保持，但其r c s 得不到降低。 本章按后一种分类对现有的天线r c s 缩减方法进行了总结与点评，提出了本人的 看法和意见。最后本章对如何计算大型阵列天线r c s 的方法进行了粗略的讨论。 1 5 电子科技大学硕十学位论文 第三章采用综合方法缩减天线r c s 3 1 基本设计思想 对于一个阵列天线，如果其中单元的雷达散射截面得到缩减，必然这些单元 组成的阵列的雷达散射截面也会得到缩减。本章主要讨论对矩形平面贴片天线单 元的r c s 缩减的各种方法，并对其进行综合。其中采用了圆形