一种有效减缩微带天线RCS的新方法

摘 要：根据经典理论,对于线极化矩形贴片天线,其主模电场强度在平行于非辐射边的中心线上为零。如果沿此中心线对微带天线加载电阻,对其辐射性能影响不大,然而对散射性能则有很大改善。通过引入一种阻抗加载技术和接地板开槽技术使微带天线的RCS大幅减缩,结合小型化技术,微带天线的rcs得到进一步减缩,而且天线外形尺寸也比原天线有所减小。这样,就同时兼顾了微带天线的辐射性能和散射性能。

关键词：微带天线;RCS减缩;阻抗加载;接地板开槽;小型化

A New Technique of Reducing the RCS Microstrip Antenna

ZHENG Junhao,LIU Ying,GONG Shuxi

(National Laboratory of Antennas and Microwave Technology,Xidian University,Xi′an,710071,China)

Abstract：According to the classical theory,for a linearly polarized rectangular microstrip antenna ,the intensity ofits electric field of the fundamental mode is zero along the center line which is parallel to the nonradiatingedge.If chip resistance is loaded along the center line,the RCS will be reduced apparently and the radiation characters keep unchangeable.In this paper,a method by loading the antenna with chip resistance and slots in the ground to reduce the RCS of the antenna is introduced,accompanied with the miniaturization chnique,the RCS of the antenna is obviously reduced,the size of the antenna is smaller than before.Thus,the radition characters and excellent scattering characters are obtained at the same time.

Keywords：microstrip antennas;RCS reduction;loaded with resistance;loaded with slots in the ground;miniaturization

1 引 言

随着微带天线技术的不断发展,阻抗加载、开槽和小型化等技术在微带天线的设计中得到了越来越广泛的应用。这三种技术的引入使得微带天线的外形尺寸辐射特性发生很大变化,它们在实现微带天线的RCS应用中也得到广泛的应用。然而,单纯的利用开槽或阻抗加载技术或小型化技术实现天线隐身的同时,却以牺牲天线的辐射性能为代价,这不是我们所希望的\[1\］。

本文通过引入阻抗加载技术并结合接地板开槽技术和小型化技术,使得微带天线的RCS得以很好减缩,从而很好地兼顾了天线的辐射性能和散射性能。本文同时也探讨了加载不同个数的电阻、加载不同的阻值以及开槽的个数对天线散射特性的影响。在具体的设计时,一般都要折衷处理,通过权衡结构复杂度和设计目标,选择最佳的组合(加载电阻个数、阻值的大小和接地板开槽个数的组合),并最终实现设计。

2 通过阻抗加载、接地板开槽和小型化技术实现天线RCS减缩的机理分析

对于矩形微带天线,其非辐射边长度大约是半个波长,如┩1(a)所示。电场在非辐射边中心处为零,如┩1(b)所示\[2,3\］。从理论上讲,在非辐射边中心线上加载电阻对其工作频率(TM10模)的辐射性能应该没有太大影响。然而,对于其余模式(频率)其非辐射边中心处电压却未必是零,由于电阻的加载,虽然对天线工作主模的辐射性能没有影响,然而对于其余模式,由于沿非辐射边方向中心位置电场不为零,却因电阻的加载使得能量得以吸收,从而达到RCS减缩的目的。

然而对于微带天线的工作模式(工作频带内),由于其电场沿非辐射边中心处为零,加载电阻与否都对辐射(散射)性能没有影响。为了使带内的RCS也得到更好的减缩,我们在阻抗加载基础上进一步在接地板上开槽并结合小型化技术。在微带天线地板上开槽可以改变感应电流路径,进而影响天线的散射特性以达到降低天线RCS的目的。

通过综合运用非辐射边缘中心加载阻抗、接地板开槽和小型化技术,最终完成天线的设计,并使得该天线同时兼顾良好辐射性能和散射性能。

3 仿真结果比较与分析

3.1 通过阻抗加载技术实现天线的RCS减缩

参考天线和加载天线外形尺寸对比如图2所示。

通过比较参考天线和加载天线的辐射性能,我们发现,加载电阻(50 Ω)后的天线带宽和参考天线基本一致,增益也几乎也没有恶化。同时,通过仿真发现,该改阻值为30 Ω,70 Ω等对RCS影响不是太大。

(2) 加载电阻天线和参考天线的散射特性比较,如图4所示。

比较阻抗加载微带天线和参考天线的RCS特性发现,加载电阻后的天线工作频率带外的RCS都得到了很好的减缩,然而也验证了上文的推断：不论加载电阻的个数是多少,天线工作频带内的RCS都基本没有减缩,这一点在图4(b)入射波为θ=60°,φ=45°方向的θ极化波时两天线的RCS比较图中表现的最为明显。要想使天线工作频带内的RCS也得到很好的减缩,单单靠在非辐射边中心线加载电阻是不够的。

3.2 进一步运用地板开槽与小型化技术实现天线的RCS减缩

(1) 参考天线的辐射特性比较,如图5所示。

通过观察图4发现,随着加载电阻个数的增加,微带天线的RCS减缩性能并没有比例增加,只有在入射波为θ=60°,φ=45°方向的θ极化波时加载电阻个数越多,RCS减缩就越好,综合3个方向的RCS特性及实现的复杂度,采用加载3个电阻的方式。同时,通过仿真发现,在加载三电阻的基础上,地板开三槽和开五槽的RCS减缩效果差不多,但是开五槽的天线增益要损失的更多一些,综合考虑,采用加载3电阻、地板开3槽的设计方案,见图5(a)。

参考天线尺寸见图2(a),加载3电阻和地板开3槽的小型化天线尺寸见图5(a),加载3个贴片电阻的坐标为：(-7,0),(0,0),(7,0)。

通过比较图5中(b)、(c)、(d),可以看到,加载3个电阻并在地板开三槽的微带天线的带宽和增益都基本与参考天线一致,增益只下降了0.2 dB,可见电阻和开槽的引入并没有给微带天线的辐射性能带来太大影响。

(2) 进一步运用地板开槽与小型化技术的微带天线和参考天线的散射特性比较,如图6所示。

比较两天线不同角度的RCS特性,发现综合运用阻抗加载和接地板开槽天线的RCS在28 GHz内都得到了较好的减缩,减缩后没有了明显的“尖峰”,三个角度的RCS在28 GHz内基本都在-31 dB以下(只有距离工作频段较远的高端有一些点大于-31 dB,有些点RCS减缩达30 dB以上),总之,综合法设计的矩形微带天线RCS得到了很好的减缩,而辐射性能却下降很小,同时兼顾了天线的辐射性能和散射性能。

(3) 实测结果

实测结果与实物图如图7~图9所示。

4 结 语

本文讨论了阻抗加载技术并结合地板开槽和小型化技术来实现矩形微带天线的RCS减缩,仿真设计是通过HFSS 9.0来实现的。从实验结果来看,实际加工出来的天线和设计仿真结果相当吻合,此外,通过阻抗加载结合地板开槽和小型化等来实现天线的RCS减缩的技术实现起来比较容易,开槽和小型化在加工时就完成了,后续只需焊接几个贴片电阻就可以最终完成天线的设计,成本较低,用很小的成本实现了理想的结果。理论上讲,该阻抗加载技术也适用于口径耦合微带天线,再结合其他技术应该能实现较好的RCS减缩效果,进一步的研究工作还有待开展。

参 考 文 献

［1］阮颖铮.雷达截面与隐身技术\[M\].北京:国防工业出版社,1998.

［2］AHL I J,Bhartia P.Microstrip Antennas\[M\].Dedham,MA:Artech House,1980.

［3］Carver K R.Mink J W.Microstrip Antenna Technology\[J\].IEEE Trans.Antennas Propagation,1981,AP-29:2-24.

［4］Edward H Newman,David Forrai.Scattering from a Microstrip Patch\[J\].IEEE Trans.Antennas Propagation,1987,AP-35(3):245-251.

［5］Hirasawa K,Haneishi M.Analysis,Design,and Measurement of Small and Low-Profile Antennas\[M\].Norwood,MA:Artech House,1992.

［6］James J R,Hall P S.Handbook of Microstrip Antennas.London:Peter Peregrinus,Ltd.,1989,1.

［7］Girish Kumar,Ray K P.Broadband Microstrip Antennas\[D\].Artech House Antennas and Propagation Library,2003.

［8］荣丰梅.微带天线RCS减缩方法研究\[D\].西安:西安电子科技大学,2006.

［9］张明旭.微带天线单元及阵列的RCS减缩\[D\].西安:西安电子科技大学,2007.

［10］程度.异常值剔除法在RCS测量数据处理中的应用\[J\].现代电子技术,2007,30(19):82-84.

作者简介 郑军豪 男,1978年出生,硕士研究生。主要研究方向为微带天线RCS减缩。

刘 英 女,1977年出生,副教授。主要研究方向为天线RCS预估与减缩。

龚书喜 男,1957年出生,教授,博士生导师,天线与电磁散射研究所所长。主要研究方向为天线与电磁散射理论等。