朱 瑛, 段 坤， 楊維旭， 羅歆瑤， 趙俊明， 陳 克， 馮一軍

(南京大學電子科學與工程學院，南京，210023)

天線作為無線電設備中信號收發(fā)的關鍵器件，被廣泛應用于各個領域。為了提升裝備之間的通信質(zhì)量，通常要求其滿足高增益、低副瓣等更為優(yōu)越的輻射性能。但是，天線也是一個較強的散射體，若不經(jīng)過低散射設計，會提高裝備被敵方探測和打擊的風險，降低其在戰(zhàn)場中的生存幾率[1]。因此，研究如何在保證天線較好輻射性能的同時減小天線的雷達散射截面(radar cross section, RCS)，有著重要的科學意義和應用價值。

國內(nèi)外研究人員為了縮減天線RCS，進行了大量研究。根據(jù)天線在工作時電流分布與輻射的不均勻性，通過調(diào)整幾何形狀重新定向散射波的方法可使后向散射最小化，如將天線設計為昆蟲觸手的形狀[2]。但是這種方式設計制備難度大，耗資多，且天線結構復雜度高，應用效果并不十分理想。另有研究人員將吸波結構放置于天線背板或設計頻率選擇性吸波結構，使入射波的電磁能量以熱能的方式耗散，從而降低天線的RCS[3-4]。這種方法設計的RCS縮減方案帶寬較寬、覆蓋頻段范圍較廣，但結構整體尺寸較厚，并有可能導致天線輻射能量損失。

近年來，超構表面(metasurface, MS)因其特異的電磁特性而廣受關注，它由若干個亞波長單元排布在一個表面上構成[5-10]。通過設計其空間分布特性進而可實現(xiàn)一系列新穎的電磁調(diào)控功能，如渦旋波生成器[11]、隱身斗篷[12]等。當超構表面單元之間具有一定的反射相位差時，根據(jù)相位相消原理，散射波無法有效疊加，從而可以降低超表面在特定方向的RCS[13-14]。2017年有研究人員通過將2個像素化的單元進行棋盤格排布，最終可在相對帶寬為95%的范圍內(nèi)實現(xiàn)10 dB RCS縮減[15]。此外，有研究結果表明，通過優(yōu)化算法，將2個相位差在180°±37°的超構表面單元隨機排列，超構表面可以在15.5～26.5 GHz和30.5～40.5 GHz的工作頻帶內(nèi)實現(xiàn)10 dB散射縮減[16]。近年來，利用超構表面縮減天線RCS的研究已經(jīng)取得了較好的進展，且超構表面在加工成本以及低剖面等方面更具優(yōu)勢，但關于如何實現(xiàn)更寬帶、更寬角域的RCS縮減仍然需要進一步的研究與探索。

本文針對高增益的微帶天線陣列設計及其RCS縮減技術進行了研究。首先設計了工作于X波段的4 × 4貼片天線陣列。為了降低該天線的RCS，設計了一種具有極化選擇特性的透反一體超構表面，并將其與天線陣列組合工作。加載超構表面后，天線陣列原有的輻射性能基本不受影響。同時，該天線陣列的背向RCS也得到抑制，尤其是對y極化探測波而言，幾乎可以在整個X波段內(nèi)實現(xiàn)10 dB的RCS縮減。

1 天線陣列設計與仿真分析

微帶貼片天線由一塊厚度遠小于波長的介質(zhì)基板一面刻蝕金屬輻射貼片、另一面為全金屬地面組成。經(jīng)過饋電，輻射貼片和接地面之間會激勵出電磁場，通過貼片周圍與接地面間的縫隙進行輻射。由于其具有低剖面、易共形、易集成等優(yōu)點，微帶天線已經(jīng)被大量應用于衛(wèi)星通信、雷達、遙感檢測和個人無線設備等。

本文設計的微帶天線陣列基本輻射單元為經(jīng)典的矩形貼息微帶天線，貼片長度L與寬度W可根據(jù)經(jīng)典公式得到[17]。為了降低饋電網(wǎng)絡的復雜度，對微帶貼息單元采用底部饋電的方式。

天線單元采用介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.002的F4B材料作為介質(zhì)基板，設計的中心工作頻率為10 GHz，根據(jù)微帶天線工作原理，結合CST Microwave Studio軟件的仿真分析結果進行優(yōu)化，最終貼片單元結構以及參數(shù)如圖1所示，其中L=8.74 mm，W=11.86 mm，Xf=2.5 mm，h1=2 mm，h2=0.5 mm，d1=0.4 mm，d2=1.38 mm。

圖1 貼片單元結構示意圖

本文設計的微帶天線陣列，每個單元采用等幅同相激勵，以此在法向獲得最大方向性系數(shù)。為了實現(xiàn)等幅同相饋電，設計了一個4×4并聯(lián)功分饋電網(wǎng)絡，同樣選擇F4B作為介質(zhì)基板，厚度h2=0.5 mm。利用四分之一波長阻抗變換線和威爾金森功分器的基本原理，調(diào)節(jié)各個饋線的特性阻抗，使饋電點和總輸入端口位置的阻抗為50 Ω，饋電網(wǎng)絡具體結構如圖2所示。

圖2 饋電網(wǎng)絡結構示意圖

將貼片單元按照24 mm的間距組合成4×4的微帶天線陣列。饋電網(wǎng)絡放置于地板的下層，通過金屬過孔與輻射貼片相連。這種設計方法可以減小饋線的串擾對輻射效率的影響，同時還可實現(xiàn)饋電網(wǎng)絡與天線的分模塊設計，降低設計復雜度，單元的排布方式也有更高的自由度。

天線陣的反射系數(shù)以及增益-頻率曲線的仿真結果如圖3所示，在9.15～10.3 GHz的范圍內(nèi)，陣列的輸入端口反射系數(shù)保持在-10 dB以下，相對帶寬約為11.8%，且在此頻段內(nèi)天線的增益保持在17 dB以上，3 dB增益帶寬為15.2%(9～10.48 GHz)。圖4為陣列在10 GHz處的歸一化遠場方向圖，副瓣電平與交叉極化都維持在比較低的水平。綜上可見，所設計的天線陣工作帶寬較寬且輻射性能良好。

圖3 天線陣列同軸輸入端口反射系數(shù)及增益曲線

圖4 天線陣列歸一化遠場方向圖

2 超構表面設計

為了在降低天線RCS的同時盡量不破壞其輻射性能，本文設計了一種基于極化選擇原理的透反射功能一體化超構表面，即對x極化入射波具有高透射功能，且各超構表面單元的透射相位差近似為0，保證天線較高的輻射效率。與此同時，對y極化入射波而言，超構表面單元的反射率較高，不同單元之間的反射相位差在180°左右，通過設計特定的單元排布，能夠?qū)崿F(xiàn)對y極化波的漫散射功能，從而降低背向散射能量強度，最終實現(xiàn)天線陣列的RCS縮減。

2.1 超構表面單元設計與仿真分析

與相同大小的金屬板相比，低散射結構表面RCS的縮減值可以由下式計算得到[18]：

RCS=20log|sA1ejP1+(1-s)A2ejP2|

(1)

式中：s表示單元1在超構表面上的占比；A表示反射幅度；P表示反射相位；下標1、2分別對應兩種單元。假設2種單元的反射相位都等于1，通過式(1)可分析得，實現(xiàn)10 dB RCS縮減的前提是2個單元的反射相位差介于143°～217°之間。因此，為了實現(xiàn)最佳的RCS縮減效果，超構表面中的2種單元數(shù)量需保持相等。

根據(jù)上述分析，研究并設計了超構表面單元，該單元由3層金屬與2層厚度相同的介質(zhì)板構成，如圖5所示。介質(zhì)選用相對介電常數(shù)為4.3，損耗角正切為0.03的FR4，每個單元①、②層貼片的尺寸相同，多層設計有助于拓展工作帶寬。通過調(diào)節(jié)上2層貼片的長度ly，可對y極化入射電磁波實現(xiàn)不同的反射相位響應。第③層在x方向與前2層相等，y方向與單元周期相等。該層被設計為極化柵結構，可以實現(xiàn)極化選擇性透反功能。最終，通過改變y方向上貼片的尺寸，可以實現(xiàn)對y極化波的反射相位調(diào)控。單元的具體參數(shù)如表1所示。

圖5 超構表面單元結構示意圖

表1 超構表面單元尺寸參數(shù) 單位：mm

圖6為2個單元對不同極化入射波的電磁響應。當x極化電磁波垂直入射到單元表面時，在天線的工作頻帶內(nèi)，單元的透射率絕大部分保持在-2 dB以上，且相位相差不大；對于y極化的入射波，在10 GHz附近，單元的反射率保持在-1 dB之上，且在7.4～12.1 GHz內(nèi)反射相位差可以保持在180°±37°范圍內(nèi)，滿足RCS縮減10 dB的條件。

圖6 超構表面單元的寬帶電磁響應

2.2 超構表面陣列仿真分析

為實現(xiàn)背向散射縮減的功能，這里將上述單元排列成2種結構：8 × 8的超單元組成棋盤格分布和4 × 4的超單元組成隨機分布。當y極化探測波垂直入射到表面時，棋盤格分布會將入射波分裂成4個波束進行反射，而隨機分布結構由于其單元的非周期性排布，會發(fā)生不規(guī)則的反射，如圖7所示。這種棋盤格或隨機分布的方式，可以將y極化入射波“打散”，隨機分布于非背向位置，從而減小背向散射能量，實現(xiàn)對背向RCS的縮減。

圖7 超構表面歸一化散射方向圖

當探測信號為x極化時，在10 GHz左右，絕大部分的入射能量都能透射過超構表面，并且能夠覆蓋上節(jié)設計的天線的工作帶寬。將超構表面與天線組合后，當天線不工作時，即端口處接匹配負載時，也可以實現(xiàn)在天線工作頻段內(nèi)實現(xiàn)RCS的縮減。

如圖8所示，相比于相同大小的金屬板，y極化入射波的10 dB縮減帶寬約為45.5%，與單元反射相位差在143°～217°的帶寬基本一致；對x極化波，由于能量透射，背向散射強度也得到了降低。這2種相位分布下的超構表面的工作帶寬和RCS縮減強度略有偏差，主要是由于仿真分析單元時使用的是周期邊界條件，而構成超構表面的單元實際上是非周期分布的，因此不同的排布方式可能導致單元之間的耦合不同，而這些相互耦合作用會對單元的性能有所影響。

圖8 超構表面的歸一化RCS曲線圖

3 低散射天線陣列性能驗證

3.1 仿真驗證

將上述2個超構表面以12 mm的間距與天線陣列組合，通過CST仿真驗證整個低散射天線陣列的性能。圖9(a)為加載超構表面前后的S11以及增益曲線對比圖，將超構表面放置于天線陣列上方合適的位置，超構表面與天線陣列之間會有一定的耦合作用，有助于天線陣列的匹配調(diào)諧，使得低散射天線陣列的帶寬會向低頻略有擴展，且?guī)?nèi)平坦度變好，最終在9～10.2 GHz和9.2～10.1 GHz的頻帶內(nèi)可以實現(xiàn)S11分別小于-10 dB與-15 dB。由于低散射天線陣列阻抗帶寬變寬，相比未加載超構表面的微帶陣列天線，3 dB增益帶寬也有一定的拓展，可以達到17%。結合3種結構在10 GHz處的E面遠場方向圖(圖9(b))可知，加載超構表面對于天線的增益、帶寬以及方向圖無不良影響，且有一定的改善作用，與該研究的設計初衷相符。

圖9 低散射天線陣列的性能曲線

相比于未加載超構表面的天線陣列，低散射天線陣列的歸一化RCS值如圖10所示，可見所設計的超構表面對x、y極化探測波的散射均有一定程度的抑制。對于x極化波，可以在約6%的相對帶寬內(nèi)實現(xiàn)10 dB RCS縮減；對于y極化波，由于超構表面的漫散射作用，背向散射能量低，RCS的縮減效果也更為明顯，10 dB RCS縮減頻帶約為7.8～12.1 GHz，覆蓋了整個X波段。

圖10 低散射天線陣列歸一化RCS曲線

表2所示為本文工作與文獻[19～22]的對比，本文所設計低散射天線陣列的輻射性能和RCS縮減帶寬均有一定優(yōu)勢。

表2 本文與其他文獻工作對比

3.2 加工與測試

為了進一步驗證本文提出的設計方法以及上述結構的各項性能，對設計的天線陣及超構表面進行樣品加工與實驗測試，樣品如圖11所示，其中，從左至右依次為微帶貼片天線陳列、棋盤格超構表面，隨機分布超構表面。測試環(huán)境如圖12所示，樣品加工使用標準的印刷電路板工藝制作。天線的性能測試在標準微波暗室中進行，并且利用標準喇叭天線來校準待測樣件的實際增益。RCS的測量采用2個寬帶喇叭天線與矢量網(wǎng)絡分析儀(Agilent E8363A)。喇叭天線對稱地放置在樣品法線的兩側，分別充當發(fā)射機與接收機。首先測量與樣品尺寸相同金屬板的RCS，并將其作為基準，繼而對低散射天線陣列的歸一化RCS進行測試。由于對樣品而言，入射角為5°時的散射性能與垂直入射時差別較小，受測量條件的限制，下列RCS的測試均將5°斜入射看作垂直入射。

圖11 天線陣列及超構表面樣品

圖12 測試環(huán)境

整個結構的輻射性能與散射性能測試結果如圖13所示。圖13(a)為加載超構表面前后的S11測試結果，反射系數(shù)小于-10 dB的頻帶范圍約為9～10.55 GHz。由于加工組裝誤差以及介質(zhì)材料參數(shù)偏差等因素的影響，實測工作頻帶向高頻偏移了300 MHz左右，但總體來說與仿真結果吻合良好。圖13(b)和(c)分別為在微波暗室中測得的E面遠場方向圖與增益曲線。加載棋盤格分布超構表面與隨機分布超構表面的天線陣列最大增益接近19 dB，3 dB增益帶寬約為17%，與仿真結果基本一致。圖13(d)和(e)為相較于天線陣列，引入超構表面后的歸一化RCS曲線，具有這2種相位分布的超構表面均可在一定的頻帶寬度內(nèi)降低散射，且由于漫散射作用，對y極化探測波效果更為明顯。由于加工與測試誤差，實測結果較仿真結果向低頻略有偏移，高頻處的衰減稍有減小，但整體趨勢與仿真基本相符。

圖13 低散射天線陣列性能實測結果

4 結語

本文設計了由微帶天線陣列與超構表面組合而成的低散射天線陣列。為了降低設計復雜度，減小饋線之間的串擾及寄生輻射等因素對天線性能的影響，將天線的輻射貼片與饋電網(wǎng)絡分別設計在兩層介質(zhì)基板上。所設計的超構表面具有極化選擇特性，對天線工作極化(x極化)的電磁波具有高透射功能，保證了天線的輻射性能；對y極化波，通過單元的特定排布，能夠?qū)崿F(xiàn)對入射波的漫散射作用，降低其背向RCS。經(jīng)仿真分析與實驗驗證，所設計的低散射天線陣列輻射性能良好，可以實現(xiàn)9～10.2 GHz的工作帶寬，最大增益可達18.8 dB。在X波段內(nèi)天線的背向散射得到了縮減，對y極化探測波效果更為明顯，平均衰減值可達10 dB以上。該方法有望進一步應用于其他天線的散射縮減中。