Vivaldi天线的隐身设计

1、Vivaldi般而言，天块的散肘分为两个郃分'个是天钱的模式项散射，另一个是天线的结构项離对.乩屮，模式项離财址由1-“线附抗“跚电网珞阻抗的斗匹配从而形成电磁注山反射产主的哉射.而结构功散対是人射波在天线农面形成的感应电流戌按产牛.的电礒敬肘”此时天建就对収石诚卜：止门比卫儿股來说,果心宀躍狀网洛匹配很肝,那丿逊阴税式项散肘就会比天线的结构项散射小很参以第二章提出Vivaldi天歿为例*在lOGfh时,通过仙宜得到它的RCS-SidBsm.而根据文献"估算出它的模式项散射的为-苗册血几乎可以忽略不计“I珂此.将若唾研究如何衙减和間Idi天线的納拘顼前射“3.1天线隐身设计思

2、路对于-款有衿灾际应用背景的隐甘天线.肯光必领保证天线的辐射特性满足工稈应用的雯求.熬后迪址改进对辎对特件离响校小in对收射抽性影响m对较人的部分.毘后站尢线的其它部分的参数进存适当的调幕.从而在不影响天线辐射性能的诗况下宾现天线kcs的缩减,Vivaldi丿:线的汕构可知'地板曹分对天线的辐射和阪射特件都JL有重展的诺响时于辐射待性而言，ViviLdi天线地板給构中的榕线谐振脖和渐变线戌接影咱天线的带宽和辐时嫂匪.而对于蹴环來井.则希重尽可能的减少金属姑片血枳.以减小尺我的结构坝敗射.从血满足隐片奖求.在保证良好的信号传输和辐射特性前提下，使金属贴片面积尽可能科小.就能幼蹇观人线的K

3、'SM=首先利用Ansoft吓淞IV0软件仿克得出Vivnldi天线辐射和散肘时金属贴片我面电流分布情况.山f尺线匸作的小心側粘伪10GHz,所映此赴设定的频皐仍为10GHz”电織井布如图11<a).11<b)所示.从图中可以笈现，当天线辐射时.电流主要分布在天线的馈线、槽线谐撇腔以及常变圾暮分"而崔远离愤线、槪红帖报腔和渐变线的金闾贴昇上虺流分布就稀疏了很冬当有电磁波人肘到夭线匕时，天线的蔡牛僉属貼片匕都布满了彌应电流对比图3.1(a).3.I(I)町以发现.腋射情况下有很大电流分帀.而辎射时却没育龙多电流芬布的金属貼片占抑r朋个金属駄片很大咐面积.因此.可以针

4、对这一不同对金属贴片逬杆及造.从而在几乎不感响Vivaldi比线辐射性吃的情况卜理町能的减少天线的结构琐敬射*进而实现天线眈5的縮减.冈为心戈的沿构为讯朮.L：显川小对隊和以为门&可谨眄切抻小射性能茂啊的金属贴片，我衍没有使用结构对称的圆附进行翦切I而利用矩形对金属貼片进行改造则会引入过r尖锐的棱角.这些棱角会任高频部分产生很人辐射。闵此采用r氏宽同样不对称11曲线圆淆的I*圆结构对贴片进行了剪切,以达到尽可能减小金属贴片面积和圆滑过渡的目的.同时.为了保证夭域增益的对称性，利用两个对称的4MIB结构对金属贴片进行改造其中,椭圆的轴比为2.短轴长为3.4mm.中心坐标为(0«

5、叫±6.5mm,-2mm).这样就可以很大程度上减少金属贴片散射时农浙电流的分布经过金属贴片剪切过的Vivaldi尺枚示童图如图3.2所示.称之为I®QVivaldi天线-1用以区别原46Vivaldi天线以及后续设计的隠身Vivai天钱.npzeiI.抵07010.:.Q4九I.I.l.MIN1.»：>«I.?* n>*«cc»i»214-4A215»aune-0Xr51MM«9»*<W|*(a) Vivaldi天线的地板辐射电流分布(b) Vivaldi天线的地板辐射电流分

6、布(b) Vivaldi天线的地板散射电流分布图3.1Vivaldi天线金属贴片电流分布图3.1Vivaldi天线金属贴片电流分布图3.2隐QVivaldi天线-I结构示意图对金烏贴片进行改造后我们又对隐身Vivaldi尺线-【在辐射和敬射时金属贴片的&面电流进行了仿頁分析.如图3.3所示.从图中可以发现隐QVivaldi天线-I在辐射还是散射时金属贴片的农面电流分布变得相似.辐射时电流仍然主契分布在沃线的馈线.槽线谐振腔以及渐变线部分的周圉：而散射时衣面电流虽然仍分布在整个金属贴片上.但是由于天线的金属贴片面积己经人人减小，金属上衣面电流己经较原始Vivaldi天线有了明显的减少，进

7、而有效的减少天线的结构项散射，达到降低天线RCS的效果。Jatrf(AZto)xgg几旳00:.孔403.i«：ic«ao£儿：工仇0)4"拆W4)<391：«<C1.tt3C««Xl3.：«Cc«X39wie<-w?jwrKAl.s>cg11刻忙Fl1W«-W111W*?W1*ft沢处仏3$片兀n?g.3*EZhBZ5JCWff-tK1ft八叫8S1(a)金属贴片辐射电流分布(a)金属贴片辐射电流分布(b)金属贴片散射电流分布图3.3隐身Vivaldi天线-1金属贴片电

8、流分布3.2隐身Vivaldi天线-1数据分析利用仿真软件对隐身Vivaldi天线-1进行仿真计算，验证关于隐身天线的设计思路是否可行。图3.4为隐身Vivaldi天线-1的S仿真曲线。图3.4隐身Vivaldi天线-1Su曲线从图3.4的Sn仿真曲线可以发现，在6GHz-16GHz的仿真范圉内，原始Vivaldi天线和隐身Vivaldi天线的Su比较接近，但在X波段范圉内，隐身Vivaldi天线-1的S“均相比原始Vivaldi有了定的恶化，但仍然在整个X波段乃至更宽的频段内小于-15dB,满足丄程应用的需求。隐身Vivaldi天线-1S“恶化的主要原因是对天线的金属贴片进行了较人的更改，导

9、致天线阻抗相应的改变.天线作为个负紋不再与50Q匹配的非堆良好.这可以通过调整馈线部分的四分Z阻抗匹配器进行的匹配，但这并不是本文的丄作聲点，所以并没育进行此项工作。由于主妥是针对中心频率10GHz进行的隐身设计.所以若重研丸隐身Vivaldi天线-1在10GHz时的E面和H面方向图.并与改进前原始的Vivaldi天线在lOGIIz时的E面、H面方向图进行对比,如图3.5所示,其中3.5(a)为夭钱的E面方向图,3.5(b为H面方向图.从对比图中可以发现,经过势设计后,夭找的主堆益即Theta=O-、Phi=O方向上的增益从3.5dB增人到4.6dB,增加了约1个dB：而肓駆增益则从OdB减小

10、到-3dB,减小了3个dB°波瓣宽度从原来的320。变为240，收窄f80*,天线辐射的电磁能量更集中.定向性更好。隐身Vivaldi天线-I在10GHz这个待定的频点上辐射特性较原始Vivaldi有了很大的提升.接着,通过软件的仿帆得到原始Vivaldi夭线和隐QVivaldi夭线I后向RCS在X波段内随频率变化的曲线,如图3.6所示，其中,3.6(a)4'入射波为X极化.即与天线正交极化,3.6(b)中入射波为Y极化即与夭线共极化匚同样没有进行RCS实际测量，主更原因是天线的RCS过小，远远小于微波暗室的背景噪声，实际测量难度较人因此只给出仿真数据代替.而S“曲线和增益曲

11、线对比已经证明T仿真软件的可靠性.便不再进行天线RCS的测试匸作了.BMVivaldi小d-uSibVivald.(a)E面方向图(10GHz)(b)H面Zr向图(10GHz)图3.510GHz时原始Vivaldi天线和隐身Vivaldi天线-1方向图（a）正交极化RCS仿真曲线（b）共极化RCS仿真曲线图3.6原始Vivaldi天线和隐身Vivaldi天线-1后向RCS对比图从图3.6（a）的对比RCS曲线可以看出在对Vivaldi天线进行隐身前后正交极化的岳向RCS在整个X波段内在-50dBsm左右.粒值非常小.改进总义不人而从图3.6（b）中可以发现,共极化惰况下天线的后向RCS在整个X

12、波段内下降的非常明显,在整个8GHz-12GHz的范I制内.隐Vivaldi天线-1的RCS曲线都较原始Vivaldi天线言了极人的改进。其中.在8Gllz时RCS下降的最少，从-32.5dBsm下降到-365dBsm,下降了近4个dBsm：而在高频频段内，RCS的下降则更为明显.在11.5GHz时下降值达到最人，从-34dBsm下降到-48dBs«b最人下降了5个dBsnu我们是针对lOGIIz幣个特定的频点进行的优化设计.但RCS下降的最大频点却出现在115Gllz这主奥地因为对金属贴片进行的改造并没有完全将10GHz时辐射没育电流分布而散射育屯流分布的贴片部分剪切抻.这就使得夭

13、线最佳的隐身频率发生了偏移.出现在了11.5GHz。根据雷达作用方程:PG2gX2R爲二尹R（3）（%）沐其中（J为雷达散射截面积,R为雷达发射机功率.G为雷达的增益.%为接收机匹配滤波器输出端（检波器输入瑞）测屋的信兮噪声功率比。可以计算出当天线的RCS下降r4个dBsm,雷达的最大可探测距离将下降20%而当天线的RCS下降14个dBsm.雷达的最人可探测距离将下降55%.W此在整个X波段内.Vivaldi天线的隐巧杵能得到了很到的捉升.进步.研究天钱的双站RCSR8角度的变化惰况.根据天线町能的匸作状态.着重研究夭线双站RCSMl角度Theta的变化曲线其中Phi角固定为0入射波的角度为T

14、heta二0°、Phi=Oe极化方向为共极化。选取3个频率点8GHz-10GHz.12GHz来进行仿真计算,从而对整人X波段内的RCS随角度变化情况有所了解，如图3.7所示其中3.7（a）为8GHz时RCS的仿真曲线.3.7(b)为10GHz时RCS的仿页曲线.3.7(c)为12GHz时RCS的仿真曲线.(a)8GHz时RCS仿真曲线(b)10GHz时RCS仿真曲线(c) 12GHz时RCS仿真曲线ffl3.7原始Vivaldi天线和隐QVivaldi天线T双站RCS随角度变化图从图中叮以发现对于原始Vivaldi天线天找RCS的鼓小值般出现在90。和270。附近.即与天线金属贴片垂

15、直的方向.由于原始Vivaldi天线金厲贴片的形状相对完椎,电磁波照射尺钱上产生的感应电流具有一定的连纹件11/5方向产生僅大的敵射.因此在垂亶方向产生的RCS相对其他方向较小.而对于隐身Vivaldi天线-【由于对天线的金属贴片进行了较人的改动.金属面积人人减小，天线因电磁波照射产生的感应电流连续性被破坏，电磁波的散射变得无序.导致天线RCS最小值所对应的角度发生了偏移.不再处于金属贴片的垂直方向。而无论何种情况下.天线的前向散射都是天线散射的最人值，这在前面的内容中已经有了详细的解释.这里就不再赘述。从三张对比曲线可以发现在(V-60°以及300。-360°即天线受到的

16、最人威胁区域内，隐功Vivaldi天线-I的RCS都较原始Vivaldi天线自了定程度的卜'障.而且天找的的向敵射也仔了明显的下降，尤其任8GHz时，下降的鼓为明显.约为6dBs«,在12GHz时也有近3dBsO的下降.因此隠身Vivaldi天线1在很大的角度范IM内也较原始VivaldiW了很人的改进对隠身Vivaldi天线-1数据的讨论充分证明了对Vivaldi天线隐身设计思路的正确性和可行性.育目的的对金属贴片进行改逍町以有效的减少天线的结构项散射,进而达到降低天找KCS的目的.在之前的论述中涉及，Vivaldi天线的设计带宽覆盖整个X波段，为超宽带天线因此也夏关注天线堆益在整个X波段内的稳定性通过仿真得到廉始Vivaldi天线与隠身Vivaldi天线-1的增益随频率变化曲线.如图3.8所示.图3.8原始Vivaldi天线和隐身Vivaldi天线-I增益曲线从图中可以发现，隐身Vivaldi天线-1的增益在X波段内明显有很人的起伏，最人值出现在10.2GHz,为4.6dB,而在低频和高频,夭线的增益恶化的非常严1R,在8GHz,天线的增益只有1.6dB,而在12GH