小型化低雷达散射截面圆极化微带天线研究

姜 文 张 扬 洪 涛 邓兆斌

(西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室，陕西 西安 710071)

引 言

为适应未来的高科技综合电子战，隐身技术得到了大量的应用，并得到世界上越来越多国家的重视．对于低可见平台而言，对其总雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)贡献较大的却是平台上的天线．天线系统是发射和接收电磁波的关键设备，它必须保证雷达波的正常接收和发射，因此常规的隐身措施(如低RCS外形设计、雷达吸波材料技术等)无法简单地应用于天线系统的隐身中，这就使天线系统的隐身成为隐身技术中难以解决的关键问题之一[1-3].

圆极化天线可接收任意极化的来波，且发射的电磁波也可由任意极化天线接收.因此，圆极化天线被广泛应用于移动通信、GPS和雷达系统中[4].为了提高圆极化天线系统的战场生存率，必须对其进行隐身处理.以往的天线隐身技术主要针对线极化天线，对圆极化天线散射特性的分析与控制研究为数不多[5-7]，在保证辐射特性的同时减缩圆极化天线的RCS具有重要意义.通过研究天线散射的基本理论，提出了一种改进的小型化低RCS圆极化微带天线，实现了圆极化天线的小型化和低RCS特性.给出了圆极化天线散射控制技术的技术途径，对射频识别、隐身等对天线散射特性有特定要求的问题具有指导意义.

1 天线散射理论分析

天线的散射包含天线结构模式项散射和天线模式项散射场两部分.天线结构模式项散射场与散射天线的负载情况无关，与普通散射体的散射机理相同.天线模式项散射场则随天线负载情况而变化，它是由于天线失配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这也是天线与其他普通散射场不同而特有的.

天线散射的物理模型如图1所示，该模型包含探测天线、被测天线和接收天线三部分[8].令探测天线，被测天线和接收天线的单位极化矢量分别为u，v,U.

图1 天线散射的物理模型

天线散射场的基础理论公式可表示为

(1)

结合天线辐射接收理论可知:

(2)

(3)

A(k)=|A(k)|U.

(4)

(5)

考虑到接收天线的极化方式为v，将散射场进行处理后,有

ES=ES(Zl)·v*=ES(ZC)·v*+

(6)

考虑单站情况k2=k1=k，u=v，并定义

(7)

(8)

式中：p为天线的极化效率；G1(k)为天馈系统的增益；G2(k)为天线增益，式(6)进一步化为

ES=ES(Zl)·u*=ES(ZC)·u*+

(9)

式(9)同时将探测天线(入射平面波)、被探测天线和接收天线(散射场)的极化方式、极化效率、天线方向图等参量考虑进天线散射理论中，这一点对于圆极化天线的散射分析与控制至关重要．

根据式(9)可分析和计算出圆极化天线的散射特性并得到天线散射控制思路：1)控制天线极化效率p；2)控制天馈系统增益方向图与天线增益方向图；3)控制接收机负载的反射；4)控制由天线外形结构引起的结构模式项散射ES(ZC) ．

重点研究控制思路4，并对圆极化天线的RCS进行减缩，在分析天线辐射单元和辐射地板上的表面电流分布后，通过在天线地板上添加圆形和矩形结构，令参考天线在保持电性能指标不变的前提下实现天线的RCS减缩．

2 天线设计

图2(a)给出了一种常见的双馈圆极化微带天线，该天线因具有稳定和优异的圆极化特性而被广泛使用．但是此天线由于其辐射单元和辐射地板的金属覆盖面积占天线总表面积的比例大，所以总RCS很大，需要进一步处理．下面基于天线的表面电流分布，对该天线地板结构进行改进并将其作为参考天线．如图2(b)所示，首先在参考天线的地板上刻12个圆形槽形成天线2．如图2(c)所示，为进一步改善天线的辐射性能，在12个圆形槽中心刻交叉十字槽线形成天线3．

(a) 天线1 (b) 天线2

(c) 天线3图2 天线结构图

天线1～3的结构尺寸如图2所示，辐射单元和辐射地板印制在介质板的两侧，采用双馈方式馈电(右旋圆极化方式)，参考天线和设计天线均印制在厚度为1.6 mm，介电常数为4.4的介质板上．通过印制板技术加工两天线的天线样机，实物如图3所示．

(a) 正面

(b) 反面图3 天线实物图

3 实验结果分析

图4分别给出三天线S11的仿真结果和实际测试结果，测试采用AgilentE8361网络分析仪．由于天线的对称性，S22可被忽略．从图4中可以看出计算结果与测试结果吻合良好．实验结果表明，在|S11|<-10 dB 时，天线1～3的带宽仿真结果分别为1.551～1.60 GHz、1.556～1.595 GHz、1.55～1.60 GHz；实测结果分别为1.557～1.59 GHz、1.551～1.596 GHz、1.551～1.59 GHz，中心频率均为1.575 GHz．

图4 天线|S11| 对比图

图5给出了天线1～3工作在1.575 GHz频率下，x-z面和y-z面的增益方向图(单位：dBi)．从图5可看出设计的天线2和天线3与参考天线1相比，具有相似的方向图特性．

(a) 天线1

(b) 天线2

(c) 天线3图5 天线方向图对比

除此之外，为了更清晰地说明设计天线在辐射特性方面的改善效果，表1将天线的增益、带宽、尺寸、轴比等电参数一一列出．从表1中可以看出天线2～3相比天线1具有明显的尺寸减小效果，天线3相比天线2具有明显的增益和带宽改善效果．

表1 三天线性能对比表

从表1还可以看出天线2和天线3具有更好的小型化效果．然而，以往的研究成果表明小型化并不意味低RCS，尤其是在较低频率段[9]，因此继续对三天线的RCS进行仿真和比较．

图6给出了参考天线与设计天线在2.0～18.0 GHz入射波照射下的单站RCS．入射波方向分别为(θ=0°,φ=0° )、(θ=30°,φ=0°)、(θ=60°,φ=0° )．从图6可以看出，小角度入射波照射下设计天线在整个频带范围内的天线RCS均小于参考天线，具有良好的RCS减缩效果．然而对于大角度入射波照射情况下，设计天线的RCS在部分频带范围内高于参考天线，部分频带范围内低于参考天线(说明小型化并不一定意味着低RCS)，但总的来说设计天线比参考天线具有明显的低RCS优势．

(a) θ=0°,φ=0°

(b) θ=30°,φ=0°

(c) θ=60°,φ=0° 图6 三天线RCS对比曲线图

4 结 论

基于一种参考天线，设计了小型化低RCS圆极化微带天线．该天线主要在参考天线的地板上通过刻圆形及十字交叉形槽线实现天线的小型化和低RCS．通过对设计天线的仿真和测量发现，与参考天线相比设计天线具有更低的雷达截面，利于天线系统的隐身；与此同时具有更小的尺寸，利于天线系统的集成．同时，在考虑天线极化的前提下，分析了天线散射的基本理论，为圆极化天线雷达截面分析与减缩技术打下了良好的理论和实验基础．

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