韓嘉良，賈 丹，韓國(guó)棟，杜 彪，趙澤康，劉亞昆

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第54研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代的快速到來(lái)，武器裝備隱身性能成為各國(guó)的重要發(fā)展領(lǐng)域[1]。天線作為武器裝備的重要組成部分，其雷達(dá)散射截面對(duì)武器裝備總的RCS(radar cross section)具有不可忽視的影響。微帶陣列天線具有重量輕、剖面低、易共形等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于低可探測(cè)平臺(tái)，微帶陣列天線隱身設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。

天線隱身設(shè)計(jì)的方法主要有修形技術(shù)[2-3]、基于頻率選擇表面(FSS，frequency selective surface)的天線罩設(shè)計(jì)[4-6]、加載雷達(dá)吸波材料(RAM，radar absorber metamaterials)[7-8]和電磁超表面 (EMS，electromagnetic surface)[9-11]。其中，修形技術(shù)主要用于單元設(shè)計(jì)而難以直接應(yīng)用于陣列修形。頻率選擇天線罩可降低陣列天線帶外RCS，而無(wú)法降低天線帶內(nèi)RCS。超材料吸收體(MA，metamaterial absorber)[12]和極化轉(zhuǎn)換超表面[13-15]等方法可在較寬的頻帶上顯著降低陣列天線的RCS，但是該方法會(huì)增大天線的剖面高度且天線增益損失較大。通過(guò)人工磁導(dǎo)體 (AMC，artificial magnetic conductor)[16-20]對(duì)電磁波的特殊反射相位，可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的散射對(duì)消。將該無(wú)源散射對(duì)消思路應(yīng)用于陣列天線設(shè)計(jì)中，通過(guò)使兩種結(jié)構(gòu)不同的單元產(chǎn)生180°相位差可降低陣列天線的RCS[20-24]，該方法可在不改變天線尺寸的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)天線RCS縮減。

文獻(xiàn)[17]通過(guò)在縫隙耦合貼片天線單元周?chē)虞dAMC結(jié)構(gòu)，在6.4～21.7 GHz范圍內(nèi)降低了天線的RCS，但單元天線的橫向尺寸約為波長(zhǎng)的3倍。文獻(xiàn)[19]將三種AMC結(jié)構(gòu)放置在一維微帶陣列天線下方，通過(guò)對(duì)三種AMC單元的布陣優(yōu)化，在11.5～16.5 GHz 寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 3 dB 以上的RCS減縮，但在未進(jìn)行組陣的方向，其橫向尺寸遠(yuǎn)大于1個(gè)波長(zhǎng)。蘭俊祥等人[20]設(shè)計(jì)了一種在矩形輻射貼片上開(kāi)弧形缺口的單元結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)微帶單元組成的陣列天線在5.6～6.2 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了6 dB以上的雙極化RCS減縮。賈永濤等人[21]設(shè)計(jì)了一種加載U型縫隙的新型單元，與傳統(tǒng)矩形貼片單元組成陣列天線雙極化RCS縮減帶寬66.7%。郝彪等人[22]設(shè)計(jì)了兩種上層貼片形狀相同、正交放置的微帶天線，利用遺傳算法將兩種天線單元進(jìn)行非周期排布，雙極化RCS縮減帶寬41.6%。雖然上述研究對(duì)天線RCS減縮取得有效成果，但仍有改善和優(yōu)化的空間。文獻(xiàn)[17]和[19]是將天線單元與AMC結(jié)構(gòu)分開(kāi)設(shè)計(jì)，AMC單元是直接用于單元天線的RCS縮減，通過(guò)降低單元的RCS來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列RCS縮減，但是在天線單元周?chē)黾宇~外的AMC無(wú)源對(duì)消結(jié)構(gòu)，會(huì)使得加載后天線單元橫向尺寸明顯增大，應(yīng)用于陣列天線時(shí)由于天線單元間距增大會(huì)導(dǎo)致陣列天線掃描范圍受限。文獻(xiàn)[20-22]將陣列天線設(shè)計(jì)與散射對(duì)消結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融于一體，單元周期均約為半波長(zhǎng)尺寸，解決了文獻(xiàn)[17]和[19]中存在的矛盾，采用兩種散射相位差180°的天線單元組成陣列天線，通過(guò)控制散射陣因子實(shí)現(xiàn)了陣列天線的RCS縮減。該散射對(duì)消方法可以在不改變陣列天線的單元間距和剖面高度的基礎(chǔ)上降低陣列天線的RCS，即具有較大的研究?jī)r(jià)值也具有極大的應(yīng)用價(jià)值。但是通過(guò)設(shè)計(jì)兩種新型單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)陣列天線的寬帶RCS縮減，設(shè)計(jì)過(guò)程及單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，尚缺乏對(duì)寬帶對(duì)消單元設(shè)計(jì)方法的詳細(xì)研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文理論研究了基于兩種散射性能不同的單元組成陣列的RCS性能，分析了單元的散射幅度和相位對(duì)陣列RCS的影響，研究了影響單元相位曲線的因素。為了實(shí)現(xiàn)天線的寬帶輻射和寬帶RCS縮減，本文提出并設(shè)計(jì)了一種新型的天線單元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的輻射性能與散射性能能夠進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控和綜合優(yōu)化。通過(guò)在輻射貼片邊緣加載T型縫隙結(jié)構(gòu)改變散射電流路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)散射相位的有效調(diào)控。該T型縫隙與傳統(tǒng)微帶貼片單元的散射性能可在寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生有效相位差，為陣列天線寬帶RCS縮減奠定基礎(chǔ)。將該新型單元與傳統(tǒng)微帶天線單元組成4 × 4陣列天線，當(dāng)入射波極化與天線工作極化正交時(shí)，兩種天線單元的散射場(chǎng)反相而相互抵消；而當(dāng)入射波極化與天線極化相同時(shí)，利用天線阻抗匹配對(duì)入射波的吸收可實(shí)現(xiàn)RCS縮減，最終實(shí)現(xiàn)了高效率輻射和寬頻帶雙極化RCS縮減。

1 散射對(duì)消理論分析

本文首先研究了由兩種散射性能不同的單元組成的陣列天線的散射性能，典型陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 由兩種單元組成的陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

本文首先研究由兩種散射性能不同的單元組成的陣列天線的散射性能，典型的陣列天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。平面波照射下，兩種天線單元的電場(chǎng)反射幅度分別為A1和A2，電場(chǎng)反射相位分別為φ1和φ2，則兩種單元組成的陣列天線的總反射場(chǎng)可以寫(xiě)為：

ES=A1ejφ1F1+A2ejφ2F2

(1)

式中，ES代表陣列天線的總散射場(chǎng)，F(xiàn)1和F2分別是兩個(gè)子陣的散射陣因子，表達(dá)式如下：

F1=ej(kx+ky)d/2+e-j(kx+ky)d/2

(2)

F2=ej(kx-ky)d/2+e-j(kx-ky)d/2

(3)

其中：x和y代表陣元位置，可寫(xiě)為：

x=sinθcosφ

(4)

y=sinθcosφ

(5)

式中，θ和φ為入射波分別與水平面與垂直面的夾角，k=2π/λ，d為單元間距。

當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，θ和φ均為0°，此時(shí)F1和F2的值為2，則式(1)可簡(jiǎn)化為：

ES=2(A1ejφ1+A2ejφ2)

(6)

參考陣列天線由相同結(jié)構(gòu)的單元組成，即所有單元的反射電場(chǎng)輻射和相位相同，各單元的反射幅度滿足A=A1=A2，反射相位滿足φ1=φ2，則參考陣列天線的總散射場(chǎng)E0可寫(xiě)為：

E0=4Aejφ1

(7)

與傳統(tǒng)微帶陣列天線相比，對(duì)于由兩種不同單元組成的同規(guī)模陣列天線，其RCS縮減量要到達(dá)βdB，需要滿足以下條件：

10×log(|ES|2/|E0|2)=-β

(8)

當(dāng)兩種單元的反射幅度不同時(shí)，設(shè)反射幅度比為γ=A1/A2，將式(6)、(7)代入式(8)中，得到任意幅度比和相位差情況下，RCS縮減量要高于βdB的條件為：

|ejφ1+ejφ2|2=1+γ2+2γcos(φ2-φ1)≤4×10-β/10

(9)

如果要求RCS縮減量要到達(dá)10 dB(β=10)，可得：

|ejφ1+ejφ2|2=1+γ2+2γcos(φ2-φ1)≤0.4

(10)

下面給出兩種特殊情況的分析：

1)當(dāng)兩種單元反射幅度相同，即A=A1=A2，可得兩種單元的相位差滿足：

140°≤|φ1-φ2|≤217°

(11)

即當(dāng)兩單元的反射相位差在143～217°之間時(shí)，RCS縮減量高于10 dB，該相位差稱(chēng)為有效相位差。

2)當(dāng)兩種單元反射相位相反(即相位差為180°)，即φ1=φ2+π，可得兩單元的幅度比滿足：

γ=A1/A2≥0.37

(12)

即當(dāng)兩單元的反射幅度比大于0.37，即反射幅度差小于4.32 dB時(shí)，RCS縮減量高于10 dB，該幅度比稱(chēng)為有效幅度比。

綜上分析可知，對(duì)于天線同極化的帶外RCS縮減和交叉極化RCS縮減，兩種單元的反射幅度基本相同，因此，決定陣列天線RCS縮減帶寬的主要是兩個(gè)單元散射的有效相位差帶寬。

2 寬帶有效相位差的天線單元設(shè)計(jì)

2.1 新型修形單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代通訊事業(yè)迅速發(fā)展，C波段微帶天線在雷達(dá)、廣播、導(dǎo)航、衛(wèi)星及無(wú)線通信等領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，本文在基于有限元法的商用電磁仿真軟件中建模并設(shè)計(jì)了工作在C波段的微帶天線，以C波段陣列天線為例開(kāi)展陣列天線RCS縮減技術(shù)研究。為了實(shí)現(xiàn)陣列天線的散射對(duì)消，通常需設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)不同的天線單元。為了提高設(shè)計(jì)效率，本文研究通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型單元，使其與傳統(tǒng)微帶單元的散射形成寬帶有效相位差，實(shí)現(xiàn)陣列天線的寬帶、雙極化RCS縮減。

通過(guò)對(duì)輻射貼片邊緣修形可以調(diào)控散射電流路徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)散射相位的調(diào)控。以矩形微帶貼片為例，如圖2(a)所示，對(duì)于y極化平面波照射情況下的RCS縮減，可在輻射貼片平行于y軸的邊緣進(jìn)行修形，例如加載矩形槽、邊緣弧形槽，如圖2(a)所示。以邊緣加載矩形槽、邊緣弧形槽的天線單元結(jié)構(gòu)為例，本文研究了不同修形結(jié)構(gòu)的散射相位性能，分析其在寬帶范圍內(nèi)的相位曲線特點(diǎn)。傳統(tǒng)微帶貼片天線單元與矩形槽、邊緣弧形槽的天線單元的散射相位隨頻率的變化曲線如圖2(b)所示，從圖中的反射相位仿真可以看出，傳統(tǒng)微帶天線(稱(chēng)為單元A)的相位隨頻率呈非線性變化，而加載矩形槽、邊緣弧形槽的兩種修形單元的反射相位在高頻處呈線性變化，僅在3.4～4.3 GHz頻段內(nèi)與傳統(tǒng)微帶天線單元的反射相位滿足180°±37°的有效相位差。通過(guò)理論分析可知，這兩種結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)寬頻帶散射對(duì)消。

為了使修形單元與傳統(tǒng)微帶貼片單元間形成寬帶有效相位差，本文提出在輻射貼片上加載T型縫隙(稱(chēng)為單元B)，在y極化平面波照射下，T型縫隙可增加散射電流的等效電長(zhǎng)度，使得y極化波的反射相位向低頻移動(dòng)，且兩種單元的相位曲線變化曲率基本一致，如圖2(b)所示。因此，單元B與單元A之間可以形成寬帶有效相位差，從而使得組陣后的陣列天線可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶RCS縮減。

圖2 四種貼片修形微帶天線單元

為了進(jìn)一步說(shuō)明T形縫隙對(duì)散射電流的調(diào)控機(jī)理，使用主從邊界條件和Floquet端口激勵(lì)對(duì)單元A和單元B輻射貼片上所激勵(lì)出的散射電流進(jìn)行仿真分析，頻率4 GHz的y極化平面波垂直照射的情況下的散射電流分布仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，單元B輻射貼片上的電流路徑比單元A輻射貼片上的電流路徑長(zhǎng)，因此，單元B的散射諧振頻率會(huì)向低頻移動(dòng)，從而與單元A之間產(chǎn)生相位差。通過(guò)調(diào)節(jié)T型縫隙的長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)對(duì)單元B的y極化散射相位的調(diào)控，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化饋電點(diǎn)位置、饋電貼片長(zhǎng)度和地板上的縫隙尺寸，使得單元A與單元B工作在相同頻段的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)寬頻段有效反射相位差。

圖3 單元A和單元B輻射貼片表面的散射電流分布

為了實(shí)現(xiàn)陣列天線的寬帶輻射和寬帶雙極化RCS縮減的一體化設(shè)計(jì)，本文提出在輻射貼片上加載T形縫隙結(jié)構(gòu)，并通過(guò)耦合饋電方式實(shí)現(xiàn)對(duì)天線單元輻射性能和散射性能的獨(dú)立調(diào)控，單元A和單元B的結(jié)構(gòu)如圖4所示。單元A和單元B的天線結(jié)構(gòu)相似，均由三層結(jié)構(gòu)組成。下層為金屬地板結(jié)構(gòu)，金屬地上刻蝕有矩形長(zhǎng)縫隙；中層介質(zhì)板采用聚四氟乙烯(介電系數(shù)為2.2，介質(zhì)損耗為0.009)，長(zhǎng)方形金屬貼片與SMA饋電結(jié)構(gòu)連接，通過(guò)L型探針對(duì)上層貼片進(jìn)行耦合饋電；單元A上層為矩形貼片，單元B上層貼片上加載T型縫隙。

圖4 天線單元A和單元B結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單元天線輻射與散射性能的影響分析

為了分析單元B的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其輻射和散射性能的影響，在單元B加載50 Ω匹配負(fù)載情況下，使用主從邊界條件和Floquet端口激勵(lì)對(duì)兩種單元的反射特性進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)全波仿真分析計(jì)算了T形縫隙長(zhǎng)度wda、饋電貼片長(zhǎng)度lma、饋電位置da、地板縫隙長(zhǎng)度lsa等主要參數(shù)對(duì)阻抗匹配性能和y極化平面波反射性能的影響，結(jié)果如圖5所示，圖中給出了S11和反射相位隨參數(shù)的變化曲線。從圖5(a)中可以看出，隨著T形縫隙長(zhǎng)度wda的增加，輻射諧振頻點(diǎn)逐漸向低頻輕微移動(dòng)，反射相位向低頻發(fā)生明顯偏移。從圖5(b)中可以看出，饋電貼片長(zhǎng)度lma的改變對(duì)反射相位影響很小，同時(shí)隨著lma的增加，諧振頻率沒(méi)有變化，阻抗匹配程度變得更好。從圖5(c)中可以看出，饋電位置da的改變對(duì)反射相位影響很小，同時(shí)隨著da的增加，駐波頻點(diǎn)逐漸向高頻移動(dòng)。從圖5(d)中可以看出，地板縫隙長(zhǎng)度lsa的改變對(duì)反射相位影響很小，隨著地板縫隙長(zhǎng)度lsa的增加，駐波頻點(diǎn)逐漸向低頻移動(dòng)。通過(guò)對(duì)以上參數(shù)分析可知，輻射貼片上的T型縫隙結(jié)構(gòu)既影響其輻射性能也影響其散射性能，金屬地板上的矩形長(zhǎng)縫隙以及L型饋電結(jié)構(gòu)主要用于調(diào)控單元的阻抗匹配特性，對(duì)散射幅度和相位影響基本可忽略。經(jīng)過(guò)上述分析可知，T型縫隙大小是影響天線反射特性的關(guān)鍵參數(shù)，饋電結(jié)構(gòu)與地板開(kāi)槽長(zhǎng)度參數(shù)是影響天線輻射特性的關(guān)鍵參數(shù)。因此，本文提出的單元結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射性能和散射性能的獨(dú)立調(diào)控，可通過(guò)優(yōu)化T形縫隙尺寸，使得單元B和單元A在交叉極化入射平面波照射下的反射相位相差180°，并通過(guò)對(duì)兩單元饋電結(jié)構(gòu)及地板開(kāi)槽長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，使單元A和單元B兩單元的工作頻段重合。

2.2 寬帶散射對(duì)消單元的輻射性能和散射性能分析

通過(guò)上述分析可知，首先通過(guò)對(duì)T型縫隙的尺寸優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)寬頻段范圍內(nèi)的有效反射相位差。在保證散射性能的寬帶有效相位差基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化金屬地板上的矩形長(zhǎng)縫隙和L型饋電結(jié)構(gòu)的尺寸實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射性能的調(diào)控，使得單元B與單元A的諧振頻段重合，因此，本文的天線結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)輻射性能和散射性能的單獨(dú)調(diào)控以及綜合優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化得到兩種天線單元的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸，尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線主要尺寸參數(shù)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，單元A和單元B的駐波(S11)及輻射方向圖仿真結(jié)果如圖6所示。兩種天線單元的諧振頻率均約為4 GHz，在3.38～4.46 GHz(相對(duì)帶寬27.6%)頻段內(nèi)，單元A的S11小于-10 dB；在3.64～4.18 GHz(相對(duì)帶寬13.8%)頻段內(nèi)，單元B的S11小于-10 dB，兩種天線單元的共同工作帶寬為3.64～4.18 GHz，相對(duì)帶寬為13.8%。圖6(b)給出了兩種天線單元在諧振點(diǎn)4 GHz的輻射方向圖，兩種天線單元的xoz面輻射方向圖和yoz面輻射方向圖基本一致，因此，在陣列天線輻射時(shí)可將兩種單元看作相同陣元。

圖6 單元A和單元B的輻射性能仿真結(jié)果

在周期性邊界條件下計(jì)算了兩種單元對(duì)垂直入射平面波的反射性能，結(jié)果如圖7所示。x極化平面波垂直照射情況下，在天線工作頻段及其附近頻段，由于天線的阻抗和極化匹配，入射波部分能量被天線元件吸收，所以其反射幅度較小，如圖7(a)所示。y極化平面波垂直照射情況下，兩種單元反射幅度基本相同，在3.5 Hz～7 GHz范圍內(nèi)產(chǎn)生有效反射相位差(180°±37°)，如圖7(b)所示，為組陣后陣列天線 RCS 縮減奠定基礎(chǔ)。

圖7 單元A和單元B的散射性能仿真結(jié)果

為了快速分析單元A和單元B組成陣列天線的散射性能，將兩種單元的反射特性(反射幅度與反射相位)代入式(9)，計(jì)算得到兩種單元組成的陣列天線的RCS理論縮減值，RCS縮減值計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于y極化平面波，陣列天線在3～7 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了寬帶RCS縮減，這來(lái)源于兩種單元的寬帶散射對(duì)消；在3.8 GHz與6.3 GHz頻點(diǎn)處，由于兩種單元的反射相位差為180°，因此，在這兩個(gè)頻點(diǎn)產(chǎn)生RCS縮減極大值點(diǎn)。對(duì)于x極化平面波，在天線工作頻內(nèi)，由于天線阻抗匹配，入射波部分能量被天線吸收，因此其RCS縮減主要來(lái)源于對(duì)入射電磁波的吸收；在4.2 GHz與5.6 GHz頻點(diǎn)單元A與單元B的反射相位差約為180°，因此在這兩個(gè)頻點(diǎn)附近，出現(xiàn)了RCS縮減的極大值點(diǎn)。

圖8 陣列天線RCS縮減理論值計(jì)算結(jié)果

3 寬帶雙極化低散射微帶陣列天線設(shè)計(jì)

3.1 基于兩種散射對(duì)消單元的陣列布陣設(shè)計(jì)

將單元A和單元B組成4×4陣列天線，在陣列規(guī)模有限的情況下，陣中單元并于處于嚴(yán)格的周期性環(huán)境，陣中單元A和單元B的散射性能會(huì)發(fā)生變化，因此，陣列天線的RCS與理論RCS存在一定的差距。本節(jié)通過(guò)研究不同組陣形式對(duì)陣列天線RCS的影響，設(shè)計(jì)出適合本文天線單元的組陣形式。

規(guī)模為4×4陣列的典型組陣形式有AABB、ABAB、BAAB、棋盤(pán)結(jié)構(gòu)等，如圖9所示。陣列1在x軸方向上由結(jié)構(gòu)相同的天線單元組成，在y軸方向上天線單元A與天線單元B以AABB的方式排布；陣列2在x軸方向上由結(jié)構(gòu)相同的天線單元組成，在y軸方向上天線單元A與天線單元B以BABA的方式排布；陣列3在x軸方向上由結(jié)構(gòu)相同的天線單元組成，在y軸方向上天線單元A與天線單元B以BAAB的方式排布；陣列4中的天線單元A與天線單元B以棋盤(pán)布陣的組合方式排布。

圖9 不同組陣形式的陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

分別對(duì)組陣形式為AABB、ABAB、BAAB、棋盤(pán)結(jié)構(gòu)的陣列天線的RCS進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖10所示。圖中給出了3～7 GHz頻段內(nèi)，不同組陣形式的陣列天線的y極化RCS以及相同尺寸的金屬板的y極化RCS。從圖中可以看出，與金屬板相比，四種組陣形式的陣列天線均實(shí)現(xiàn)了寬帶RCS縮減，但是組陣形式對(duì)4×4陣列天線的RCS影響明顯。組陣形式為AABB、ABAB、BAAB、棋盤(pán)結(jié)構(gòu)的陣列天線在在3～7 GHz頻段內(nèi)的RCS縮減均值分別為7.3 dB、5.9 dB、7.7 dB、6.8 dB，其中組陣形式為BAAB的陣列天線 RCS縮減均值最大，且在天線工作頻段內(nèi)的RCS縮減值最大，因此本文陣列天線采用BAAB的組陣形式。

圖10 不同組陣形式陣列天線的y極化RCS仿真結(jié)果

3.2 寬帶雙極化低散射微帶陣列天線散射性能和輻射性能分析

當(dāng)入射平面電磁波垂直照射到設(shè)計(jì)陣列天線時(shí)，分別計(jì)算了x極化和y極化電磁波的RCS，單站RCS仿真結(jié)果如圖11所示，圖中分別給出了設(shè)計(jì)陣列天線和相同尺寸金屬板的單站RCS。從圖中可以看出，當(dāng)x極化平面波照射時(shí)，設(shè)計(jì)陣列天線的RCS減縮帶寬為3～7 GHz，平均RCS縮減值為6.6 dB，在4.1 GHz頻點(diǎn)處達(dá)到最大RCS減縮，縮減值為16.3 dB；在工作頻帶(3.64～4.18 GHz)內(nèi)RCS平均縮減值為14.1 dB。x極化平面波下的陣列天線的帶內(nèi)RCS縮減主要來(lái)源于兩種天線單元對(duì)電磁波的吸收作用，帶外RCS縮減主要來(lái)源于兩種天線單元的吸收作用，同時(shí)在5.6 GHz頻點(diǎn)，兩種單元反射相位差為180°，因此無(wú)源散射對(duì)消對(duì)帶外RCS縮減也產(chǎn)生了一定作用。當(dāng)y極化平面波照射時(shí)，在3.3～7 GHz頻段實(shí)現(xiàn)了RCS減縮，平均RCS減縮值為7.7 dB，在4.15 GHz頻點(diǎn)處達(dá)到最大RCS縮減，縮減值高達(dá)36.3 dB；在工作頻帶(3.64～4.18 GHz)內(nèi)RCS平均縮減值高達(dá)17.6 dB；陣列天線對(duì)y極化平面波的RCS縮減來(lái)源于兩種單元形成的無(wú)源散射對(duì)消。

結(jié)合公式推導(dǎo)及陣列天線的全波仿真結(jié)果可以看出，基于散射對(duì)消技術(shù)的陣列天線要實(shí)現(xiàn)寬帶RCS縮減，在相應(yīng)帶寬內(nèi)需要產(chǎn)生多個(gè)RCS縮減極值點(diǎn)，即通過(guò)多個(gè)散射對(duì)消諧振的方法可實(shí)現(xiàn)陣列天線寬頻帶RCS縮減。同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)陣列天線寬帶雙極化RCS縮減，對(duì)于天線的交叉極化RCS縮減，需要兩種單元產(chǎn)生寬帶有效散射相位差；對(duì)于同極化RCS縮減，在天線吸波作用的基礎(chǔ)上，兩種單元還要在帶外具有有效相位差，通過(guò)吸波和散射對(duì)消兩種措施實(shí)現(xiàn)同極化電磁波的寬帶RCS縮減。

為了直觀地說(shuō)明散射對(duì)消方法降低陣列天線RCS的機(jī)理，圖12給出了在y極化平面波垂直入射時(shí)4 GHz頻點(diǎn)的三維散射方向圖。從圖中可以看出，金屬地板呈強(qiáng)鏡面反射，其散射方向圖在垂直方向呈最大值。設(shè)計(jì)陣列天線的散射方向圖呈中心凹陷的形態(tài)，即在垂直入射方向的RCS值較小，散射峰值集中在低仰角角域。這是由于陣列天線中的不同單元對(duì)y極化電磁波波的散射相位差180°，使得設(shè)計(jì)陣列天線產(chǎn)生了散射對(duì)消，散射峰值被轉(zhuǎn)移至非探測(cè)角域，使得陣列天線的單站RCS實(shí)現(xiàn)了有效減縮。

圖12 金屬板和設(shè)計(jì)陣列的三維散射方向圖仿真結(jié)果

將設(shè)計(jì)陣列天線中的16個(gè)天線單元進(jìn)行等幅同相饋電，陣列天線的輻射方向圖仿真結(jié)果如圖13所示。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)陣列天線與參考陣列天線的輻射方向圖基本一致，增益下降小于0.1 dB。

圖13 設(shè)計(jì)陣列天線和參考陣列天線的輻射方向圖仿真結(jié)果

綜上分析可知，本文設(shè)計(jì)的陣列天線具有較好的輻射和散射性能。將本文設(shè)計(jì)陣列天線的輻射性能和散射性能與其他文獻(xiàn)中的低散射微帶陣列天線進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示。從表中可以看出，本文所設(shè)計(jì)的陣列天線在保持寬帶輻射(相對(duì)帶寬14.6%)的前提下，實(shí)現(xiàn)了交叉極化在71.8%帶寬內(nèi)的RCS縮減和同極化在80%帶寬內(nèi)的RCS縮減，雙極化RCS縮減帶寬優(yōu)于其他論文結(jié)果；特別是RCS縮減6 dB 的帶寬相較其他論文有了明顯擴(kuò)寬；工作頻帶內(nèi)的RCS縮減均值也得到了一定的提升。本文提出的低散射陣列天線采用一種新型天線單元即實(shí)現(xiàn)了寬帶低RCS縮減，與其他論文的設(shè)計(jì)相比，其輻射的工作帶寬較寬，雙極化RCS縮減帶寬較寬，為低散射陣列天線設(shè)計(jì)提供了新的思路。

表2 本文設(shè)計(jì)的低散射微帶陣列天線與文獻(xiàn)[20-23]中設(shè)計(jì)陣列天線性能對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文理論研究了由兩種散射性能不同單元組成的陣列天線的散射性能，研究了影響RCS縮減帶寬的因素；提出一種新型單元結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微帶天線的輻射性能與散射性能的獨(dú)立調(diào)控；提出在輻射貼片上加載T形縫隙，通過(guò)對(duì)一種單元修形即在寬頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)散射的有效相位差；將T形縫隙單元和參考單元組成4×4陣列天線，研究了不同組陣形式對(duì)陣列RCS的影響。設(shè)計(jì)陣列天線在3.64～4.18 GHz(相對(duì)帶寬13.8%)頻段內(nèi)具有良好的輻射性能，與參考天線相比，增益下降小于0.1 dB。在3.3～7 GHz (相對(duì)帶寬71.8%)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了交叉極化RCS縮減，在3～7 GHz (相對(duì)帶寬80%)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了同極化RCS縮減。

綜上，本文清晰給出了散射對(duì)消陣列的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)的新型微帶陣列天線兼具寬帶輻射性能和寬帶雙極化低RCS的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)低 RCS 陣列天線的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義，對(duì)微帶陣列天線在低可探測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用有一定的意義。本文工作仍有進(jìn)步空間，通過(guò)對(duì)參考天線進(jìn)行修形設(shè)計(jì)還可進(jìn)一步提高陣列天線的RCS縮減帶寬和RCS縮減量值。