摘 要：根據(jù)經(jīng)典理論，對于線極化矩形貼片天線，其主模電場強度在平行于非輻射邊的中心線上為零。如果沿此中心線對微帶天線加載電阻，對其輻射性能影響不大，然而對散射性能則有很大改善。通過引入一種阻抗加載技術(shù)和接地板開槽技術(shù)使微帶天線的RCS大幅減縮，結(jié)合小型化技術(shù)，微帶天線的RCS得到進一步減縮，而且天線外形尺寸也比原天線有所減小。這樣，就同時兼顧了微帶天線的輻射性能和散射性能。

關(guān)鍵詞：微帶天線;RCS減縮;阻抗加載;接地板開槽;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

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1 引 言

隨著微帶天線技術(shù)的不斷發(fā)展，阻抗加載、開槽和小型化等技術(shù)在微帶天線的設(shè)計中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這三種技術(shù)的引入使得微帶天線的外形尺寸輻射特性發(fā)生很大變化，它們在實現(xiàn)微帶天線的RCS應(yīng)用中也得到廣泛的應(yīng)用。然而，單純的利用開槽或阻抗加載技術(shù)或小型化技術(shù)實現(xiàn)天線隱身的同時，卻以犧牲天線的輻射性能為代價，這不是我們所希望的\\[1\\］。

本文通過引入阻抗加載技術(shù)并結(jié)合接地板開槽技術(shù)和小型化技術(shù)，使得微帶天線的RCS得以很好減縮，從而很好地兼顧了天線的輻射性能和散射性能。本文同時也探討了加載不同個數(shù)的電阻、加載不同的阻值以及開槽的個數(shù)對天線散射特性的影響。在具體的設(shè)計時，一般都要折衷處理，通過權(quán)衡結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和設(shè)計目標，選擇最佳的組合(加載電阻個數(shù)、阻值的大小和接地板開槽個數(shù)的組合)，并最終實現(xiàn)設(shè)計。

2 通過阻抗加載、接地板開槽和小型化技術(shù)實現(xiàn)天線RCS減縮的機理分析

對于矩形微帶天線，其非輻射邊長度大約是半個波長，如圖1(a)所示。電場在非輻射邊中心處為零，如圖1(b)所示\\[2，3\\］。從理論上講，在非輻射邊中心線上加載電阻對其工作頻率(TM10模)的輻射性能應(yīng)該沒有太大影響。然而，對于其余模式(頻率)其非輻射邊中心處電壓卻未必是零，由于電阻的加載，雖然對天線工作主模的輻射性能沒有影響，然而對于其余模式，由于沿非輻射邊方向中心位置電場不為零，卻因電阻的加載使得能量得以吸收，從而達到RCS減縮的目的。

然而對于微帶天線的工作模式(工作頻帶內(nèi))，由于其電場沿非輻射邊中心處為零，加載電阻與否都對輻射(散射)性能沒有影響。為了使帶內(nèi)的RCS也得到更好的減縮，我們在阻抗加載基礎(chǔ)上進一步在接地板上開槽并結(jié)合小型化技術(shù)。在微帶天線地板上開槽可以改變感應(yīng)電流路徑，進而影響天線的散射特性以達到降低天線RCS的目的。

通過綜合運用非輻射邊緣中心加載阻抗、接地板開槽和小型化技術(shù)，最終完成天線的設(shè)計，并使得該天線同時兼顧良好輻射性能和散射性能。

3 仿真結(jié)果比較與分析

3.1 通過阻抗加載技術(shù)實現(xiàn)天線的RCS減縮

參考天線和加載天線外形尺寸對比如圖2所示。

通過比較參考天線和加載天線的輻射性能，我們發(fā)現(xiàn)，加載電阻(50 Ω)后的天線帶寬和參考天線基本一致，增益也幾乎也沒有惡化。同時，通過仿真發(fā)現(xiàn)，該改阻值為30 Ω，70 Ω等對RCS影響不是太大。

(2) 加載電阻天線和參考天線的散射特性比較，如圖4所示。

比較阻抗加載微帶天線和參考天線的RCS特性發(fā)現(xiàn)，加載電阻后的天線工作頻率帶外的RCS都得到了很好的減縮，然而也驗證了上文的推斷：不論加載電阻的個數(shù)是多少，天線工作頻帶內(nèi)的RCS都基本沒有減縮，這一點在圖4(b)入射波為θ=60°，φ=45°方向的θ極化波時兩天線的RCS比較圖中表現(xiàn)的最為明顯。要想使天線工作頻帶內(nèi)的RCS也得到很好的減縮，單單靠在非輻射邊中心線加載電阻是不夠的。

3.2 進一步運用地板開槽與小型化技術(shù)實現(xiàn)天線的RCS減縮

(1) 參考天線的輻射特性比較，如圖5所示。

通過觀察圖4發(fā)現(xiàn)，隨著加載電阻個數(shù)的增加，微帶天線的RCS減縮性能并沒有比例增加，只有在入射波為θ=60°，φ=45°方向的θ極化波時加載電阻個數(shù)越多，RCS減縮就越好，綜合3個方向的RCS特性及實現(xiàn)的復(fù)雜度，采用加載3個電阻的方式。同時，通過仿真發(fā)現(xiàn)，在加載三電阻的基礎(chǔ)上，地板開三槽和開五槽的RCS減縮效果差不多，但是開五槽的天線增益要損失的更多一些，綜合考慮，采用加載3電阻、地板開3槽的設(shè)計方案，見圖5(a)。

參考天線尺寸見圖2(a)，加載3電阻和地板開3槽的小型化天線尺寸見圖5(a)，加載3個貼片電阻的坐標為：(-7，0)，(0，0)，(7，0)。

通過比較圖5中(b)、(c)、(d)，可以看到，加載3個電阻并在地板開三槽的微帶天線的帶寬和增益都基本與參考天線一致，增益只下降了0.2 dB，可見電阻和開槽的引入并沒有給微帶天線的輻射性能帶來太大影響。

(2) 進一步運用地板開槽與小型化技術(shù)的微帶天線和參考天線的散射特性比較，如圖6所示。

比較兩天線不同角度的RCS特性，發(fā)現(xiàn)綜合運用阻抗加載和接地板開槽天線的RCS在2→8 GHz內(nèi)都得到了較好的減縮，減縮后沒有了明顯的“尖峰”，三個角度的RCS在2→8 GHz內(nèi)基本都在-31 dB以下(只有距離工作頻段較遠的高端有一些點大于-31 dB，有些點RCS減縮達30 dB以上)，總之，綜合法設(shè)計的矩形微帶天線RCS得到了很好的減縮，而輻射性能卻下降很小，同時兼顧了天線的輻射性能和散射性能。

(3) 實測結(jié)果

實測結(jié)果與實物圖如圖7~圖9所示。

4 結(jié) 語

本文討論了阻抗加載技術(shù)并結(jié)合地板開槽和小型化技術(shù)來實現(xiàn)矩形微帶天線的RCS減縮，仿真設(shè)計是通過HFSS 9.0來實現(xiàn)的。從實驗結(jié)果來看，實際加工出來的天線和設(shè)計仿真結(jié)果相當吻合，此外，通過阻抗加載結(jié)合地板開槽和小型化等來實現(xiàn)天線的RCS減縮的技術(shù)實現(xiàn)起來比較容易，開槽和小型化在加工時就完成了，后續(xù)只需焊接幾個貼片電阻就可以最終完成天線的設(shè)計，成本較低，用很小的成本實現(xiàn)了理想的結(jié)果。理論上講，該阻抗加載技術(shù)也適用于口徑耦合微帶天線，再結(jié)合其他技術(shù)應(yīng)該能實現(xiàn)較好的RCS減縮效果，進一步的研究工作還有待開展。

參 考 文 獻

［1］阮穎錚.雷達截面與隱身技術(shù)\\[M\\].北京:國防工業(yè)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］榮豐梅.微帶天線RCS減縮方法研究\\[D\\].西安:西安電子科技大學(xué)，2006.

［9］張明旭.微帶天線單元及陣列的RCS減縮\\[D\\].西安:西安電子科技大學(xué)，2007.

［10］程度.異常值剔除法在RCS測量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(19):82-84.

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作者簡介 鄭軍豪 男，1978年出生，碩士研究生。主要研究方向為微帶天線RCS減縮。

劉 英 女，1977年出生，副教授。主要研究方向為天線RCS預(yù)估與減縮。

龔書喜 男，1957年出生，教授，博士生導(dǎo)師，天線與電磁散射研究所所長。主要研究方向為天線與電磁散射理論等。