微带天线rcs减缩方法研究

微带天线rcs减缩方法研究

1微带天线rcs减缩机理通信技术的发展使系统中的天线系统的要求越来越高。微带天线越来越多地用于重量轻、轮廓低、制造方便等优点。然而，微带天线的振幅特性在振幅频率上表现出不可忽视的缺点。因此,各种对微带天线RCS减缩方法的研究近年来正成为一个热点。国内外对微带天线RCS减缩已经提出了各种各样的方法。一般来说,天线RCS减缩方案都会增加系统的复杂性,此外也会对天线的工作性能有影响,比如增益下降、频率偏移、带宽变窄等。Jackon提出增加介质板损耗和覆盖损耗介质降低RCS的方法,虽然这种方法能有效降低微带天线的RCS,但是以降低天线辐射效率和增益为代价,损耗太大,将导致天线不能正常工作。分布式电阻加载可以在很宽的频率范围内实现RCS的减缩,但是在微带天线四个角上加载电阻,天线已经不能有效的辐射电磁波了。缝隙加载虽然在很宽频带内实现RCS较大幅度的减缩,但是其带宽损失较大。因此在考虑微带天线RCS减缩的同时,必须考虑天线的辐射性能,否则即使实现天线RCS大幅度减缩,但是已不能作为天线使用,也是不实际的。本文通过分析微带天线散射的基本原理和RCS减缩机理,提出了一种综合利用微带贴片上缝隙加载、短路针加载及接地板开缝的微带天线RCS减缩新方法。在增益和带宽损失很小的情况下,实现了同频率工作带内RCS较明显的减缩,带外RCS峰值点也都有一定程度的减缩,有效地在较宽的频带内减缩了微带天线的RCS。2微带天线的散射波场仿真天线的散射通常包括两部分:一部分是与散射天线负载情况无关的结构项散射场,它是由于入射平面波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的散射机理相同;另一部分则是随天线负载情况而变化的模式项散射场,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体而特有的散射。无论是微带天线的二次辐射还是散射,均来自于贴片表面的感应电流。假设微带贴片表面产生的电流为ˉJJ¯¯s,令→Js=Ιs→Jb(→r)(1)J⃗s=IsJ⃗b(r⃗)(1)其中→JJ⃗b(→rr⃗)是与来波无关的模函数,幅度Is取决于来波的幅度和极化。假设来波为u极化,来波方向为(θ1,φ1),散射为v极化,方向为(θ2,φ2),根据文献,得散射截面公式:σuv=λ20π(Rs|Ζs|)2e2rGu(θ1‚φ1)Gv(θ2‚φ2)(2)其中er是物体辐射的效率,定义为辐射功率与输入功率的比值er=Ρrb/(Ρrb+Ρdb)‚zs=-<→Jb‚→Jb>‚Rs=Re{zs}‚Gu(θ1‚φ1)=4πΡu(θ1‚φ1)/Ρrb表示增益。本文主要研究的是微带天线的结构项散射。在微带贴片天线上开槽时,槽两端的电流分流方向相反,因为微带贴片天线可以看作是一个微带传输线,所以这种电流突变可以等效为阻抗加载,它可以调节天线的输入阻抗及(Rs/|Zs|)2,从而改变雷达散射截面的大小。但是,开槽并不是简单的阻抗加载,它还可以看作在减小原贴片镜面反射的基础上引入一个回波源,当散射波的相位与其它回波相位相反时,就达到减缩RCS的目的。通过仿真缝隙加载的微带贴片天线发现,与标准矩形贴片相比:贴片上开横缝可以使谐振频率降低,使部分频率的RCS减小,缝隙越长频率下降越多;贴片上开纵缝对谐振频率没有影响,但可以提高天线的增益。式(2)的因子(Rs/|Zs|)2表示散射体的阻抗特性对RCS的影响,当天线的阻抗实部相对天线总的阻抗比值减小时天线的RCS也就得到减缩。加载短路针相当于引入电纳,可以增大阻抗的虚部,也就是减小阻抗实部对总阻抗的比值,因此能够降低RCS。此外在矩形贴片中加载短路针,还可以使谐振频率升高,结合贴片开缝来调整短路针的位置可以保持天线工作频率不变。经过计算发现在接地板上开缝与贴片开缝类似,也可以影响天线的谐振频率以及天线的RCS,接地板开缝改变了接地板上电流的分布,进而影响到介质中场的分布,因此能够影响天线的谐振频率和天线的RCS。仿真计算发现横缝主要是影响天线的工作频率,而纵缝可以明显地减缩带内RCS,所以在有限大接地板上开合适的缝可以有效地降低微带天线带内的RCS。3天线的仿真结果本文所有的结果都是用时域有限差分法(FDTD)得到的。采用非均匀网格对微带天线进行剖分,基本网格尺寸为Δx=Δy=Δz=0.5mm,在贴片边缘以及缝隙附近采用基本网格的1/2进行剖分,使仿真结果更加准确,时间步Δt与最小网格尺寸Δmin满足Δt=Δmin/(√3×c)。同轴线用集中加载50Ω的短路针来代替,激励源的选取:计算S11时用高斯脉冲电压源,计算辐射远场时用正弦激励,计算RCS时用高斯脉冲平面波激励。吸收边界为完全匹配层(PML)。首先设计一个谐振频率为2.9GHz的常规矩形微带贴片天线:天线介质基片的相对介电常数εr=2.55,介质基片厚度h=2.5mm,贴片长L=45mm,宽W=30mm,采用有限大接地板,其大小为113mm×75mm。贴片中心为坐标原点,馈电点位置为(0,-12),此天线的带宽约为4.4%,增益为7.75dB。3.1同极化下不同方向的rcs减缩效果根据对称性原则在原贴片上开两组纵缝、三组横缝,如图1所示。两组纵缝的中心位置为(5.5,0)、(-5.5,0),,长15mm、宽1mm,三组横缝的中心位置为(10,7)、(10,0)、(10,-7)、(-10,7)、(-10,0)、(-10,7),长8mm、宽1mm,在(-1,14.2)、(1,14.2)处各加一短路针,以保证该天线的谐振频率为2.9GHz,此时馈电点位置为(0,-5.5),开缝加短路针天线与原标准矩形贴片天线的Sn对比图如图2所示,可以看出-10dB带宽从4.4%减小到3.5%(减少了0.9%),而其最大增益基本没变。为了观察同极化下不同方向平面波入射时RCS的减缩效果,选取θ极化三个典型角度入射,入射角分别为θ=60°、φ=0°,θ=60°、φ=45°和θ=60°、φ=90°时,贴片开缝并加短路针天线与原标准矩形贴片天线的RCS对比如图3所示,由图可以看出:三个入射方向的带内RCS都有一定程度减小,尤其是平面波入射角为θ=60°、φ=90°时(图3(c))在整个观察频段内都有较明显的减缩,减缩效果非常好,但是前两个入射方向(图3(a)、(b))都在4～5GHz之间出现了一个RCS峰值,这是由于贴片开缝加短路针使得天线的另一个谐振模式谐振在该频段。虽然在贴片上开缝并结合短路针加载能够使微带天线的带内RCS有一定程度的减缩,但是减缩效果不是很明显。此外从图3(a)可以看出平面波的入射角为θ=60°、φ=0°时在4～5GHz之间出现了一个比较高的峰值点,平面波的入射角为θ=60°、φ=45°时由图3(b)可以看出在4～5.5GHz之间出现了比较高的峰值点高于-30dB。因此,进一步在接地板上开缝来使带内的RCS得到更明显的减缩。3.2同极化下不同方向的rcs减缩效果在上面所描述的贴片开缝加短路针天线的接地板上开如图4所示的三条缝,中心位置分别为:(28.25,-18.75)、(0,18.75)、(-28.25,-18.75),长37.5mm、宽1mm,两探针与馈电点位置保持不变,此时天线的工作频率仍为2.9GHz。经过仿真计算发现在接地板上开缝与未开缝时比较,对天线的工作频率和带宽没有影响,对其辐射方向图有一些影响,如图5所示最大方向增益由7.55dB变为7.35dB,由图5(a)还可以看出接地板开缝使得天线H面的后向辐射增强,这也是天线最大增益减小的原因。为了观察同极化下不同方向平面波入射时该方法对微带天线RCS的减缩效果,选取极化三个典型角度入射,入射角分别为θ=60°、φ=0°,θ=60°、φ=45°和θ=60°、φ=90°时,该综合方法与原标准矩形贴片天线的RCS对比如图6所示。由图可以看出该天线在很宽的工作频带内RCS减缩的效果都很明显,一些入射方向的带内RCS在谐振频率2.9GHz附近还出现了一个凹陷,减缩了约5dB;带外的RCS峰值点也都有一定程度的减缩。通过对比图6与图3可以发现,三种方法综合比开缝短路针加载这两种方法综合更能有效地实现微带天线RCS减缩,前者在一些入射方向上带内的RCS都有更明显的减缩;前者比后者的带外RCS也有一定程度减缩,平面波的入射方向为θ=60°、φ=0°时(图6(a)),6GHz附近的RCS峰值点已经消失,平面波的入射角为θ=60°、φ=45°时(图6(b)),4～5.5GHz之间出现较高的两个峰值点也降到了-30dB以下;而且前者增益仅比后者减少了0.2dB。但是对比图6(c)与图3(c)发现平面波的入射角为θ=60°、φ=90°时,接地板开缝与不开缝时的RCS几乎没有变化,这与接地板上所开缝的形状有关,入射角为θ=60°、φ=90°时入射平面波刚好与接地板上的缝平行,因此接地板开如图4所示的缝对入射角为θ=60°、φ=90°时入射平面波的RCS起不到减缩的效果,但是可以尝试在接地板上在开与图4中缝垂直的缝来减缩该入射方向上的RCS。4微带天线rcs减缩算法微带天线RCS减缩问题引起了越来越广泛的关注,每种微带天线RCS减缩方法在减缩RCS的同时都会对天线的辐射性能有不同程度的影响,