一种基于可重构机理的微带天线RCS缩减技术

官正涛，何海丹，何庆强

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

微带天线以其重量轻、轮廓低、易于制造，且容易与飞行器表面共形等优点被越来越广泛地应用于空天飞行器上，甚至在可预期的未来发展成智能蒙皮天线之一.但是，作为一种飞行器电磁波传感系统，蒙皮微带天线必须保证能发射和接收己方电磁波而不易被对方探测到，并尽可能少地散射对方雷达波.这是一对很难解决的矛盾.在这种条件下，仅仅依靠传统微带天线设计辐射性能，并辅助采用传统的小型化，有源/无源加载，开槽、分形、结构修形，局部增加吸波材料等隐身手段已经不能实现良好的蒙皮微带天线辐射/隐身的双重目标［1－3］.一个蒙皮微带天线系统要能够在全时域/全空域/全频域内实现低雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)是难以实现的.对此，采用可重构技术，通过内嵌集成开关加载阵列来实现按需实时地重构天线的时域/空域/频域的辐射和散射特性将是主要的研究方向.这样可以使天线动态地保持低RCS，并且在天线工作时不影响天线的辐射特性.可重构天线技术发展的关键依赖于微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)技术的成熟.MEMS 开关具有体积小，在超宽频带范围内有低导通插损，高断开隔离度，低寄生电容等优良的射频性能［4－6］.将MEMS 开关集成在特定结构的天线口径中，构成准“通用”口径，通过软、硬件结合的方式调节开关组的工作状态，就可以达到改变天线的电结构，影响其电流分布，并获得不同用途天线特性的目的.微带天线常规的RCS 缩减可以采用在微带贴片上开槽或缝，地板上开槽或缝等技术实现.如果能够实时地改变微带天线口径中的微带边缘、开路端、槽、缝的形状和位置，也就可以获得不同效果的天线特性，包括带内辐射特性和带内/带外的散射特性.

本研究在传统微带天线RCS 缩减技术结合可重构天线技术的基础上，提出一种基于可重构机理的微带天线RCS 缩减技术.该可重构微带天线的微带贴片和地板全部碎片化，并通过MEMS 开关连接，MEMS 开关导通时，微带天线能正常辐射，MEMS 开关导通或断开时，RCS 都有较明显的缩减，同时，通过引入开关阵列，使可重构微带天线能动态地保持优良的辐射和散射特性，本研究在低RCS 智能蒙皮天线方面具有较大的研究潜力.

1 微带天线设计

1.1 传统微带天线设计

基于传统的微带天线的模型如图1 所示.

图1 传统微带天线模型图

该天线模型的谐振频率为2.5 GHz，贴片尺寸为48.6 mm×34.7 mm，接地板尺寸为70 mm ×51 mm.采用同轴线背向馈电，馈电点距接地板中心点(坐标原点)7.3 mm.衬底材料厚2 mm，介电常数为2.65.

1.2 可重构微带天线设计

本研究设计的可重构微带天线模型如图2、3 所示.

图2 可重构微带天线MEMS 开关导通模型图

图3 可重构微带天线MEMS 开关断开模型图

可重构微带天线的贴片和地板由均匀碎片元阵组成，在相邻碎片元之间用开关连接.天线谐振频率2.5 GHz，贴片尺寸为35.9 mm ×25.7 mm，接地板尺寸为56 mm×41 mm.采用同轴线背向馈电，馈电点距接地板中心点(坐标原点)7.3 mm.微带衬底的厚度为2 mm，介电常数为2.65.微带碎片元的大小为4.4 mm×3 mm，接地板碎片元的大小为7.3 mm×5.1 mm，开关的面积为0.4 mm×0.8 mm.开关尺寸大小与实际的MEMS 开关相当.

2 实验与分析

为获得传统微带天线和可重构微带天线的辐射和散射特性，本研究采用FEKO 软件完成天线建模与仿真计算.由于MEMS 开关具有优良的射频特性，本研究对开关做如下处理:当开关连通时用同尺寸的一小金属片连通来模拟，而当开关断开时去掉该金属片.有研究发现，采用这种理想开关模型的仿真结果与实际使用开关实验结果吻合良好［6］.

1)在仿真实验中，传统微带天线的辐射特性由图1 模型进行计算，可重构微带天线的辐射特性由图2、3 模型进行计算，表1 给出传统微带天线与可重构微带天线的辐射特性及几何尺寸计算结果.

表1 传统微带天线与可重构微带天线的辐射特性比较

由表1 可见，可重构微带天线在2.5 GHz 频率时的的反射系数为－10 dB，具有良好的辐射特性.其天线增益为5.2 dBi，相比传统微带天线的7.2 dBi 增益，可重构微带天线的增益降低了2 dB，这主要是由于天线口径变小，天线波束宽度变宽的缘故.

2)在仿真实验中，传统微带天线的散射特性由图1模型进行计算，可重构微带天线MEMS 开关导通状态的散射特性由图2 模型进行计算，可重构微带天线MEMS开关断开状态的散射特性由图3 模型进行计算.同时，为了便于比较，可重构微带天线的散射特性计算频点、考察剖面、极化形式都与传统微带天线的相同，即选取带内工作频点2.5 GHz 及带外L/S/C/X/Ku 频段典型频点2、4、5.6、10、12 GHz，在天线H 面上(y-z 面)±90 °范围内，考察可重构微带天线phi-phi 极化和theta-theta 极化的单站RCS.

表2 给出了传统微带天线与可重构微带天线的散射特性的计算结果.

表2 传统微带天线与可重构微带天线的散射特性比较

由表2 可见，可重构微带天线的散射特性较传统微带天线有明显优势，在带内和带外的不同频段，单站RCS峰值都有明显下降.在C 频段及以下频段，当可重构微带天线全部MEMS 开关断开时，单站RCS 峰值改善较全部开关导通时更大，其中，在L 频段的典型频点的phiphi 极化改善最大，单站RCS 峰值改善20 dB.在X 频段及以上频段，当可重构微带天线全部MEMS 开关导通时，单站RCS 峰值改善较全开关断开时更大，其中，在Ku 频段的典型频点的phi-phi 极化改善最大，单站RCS 峰值改善15.6 dB.

此外，对任意极化和频点进行算术平均统计发现，微带天线的RCS 峰值平均为－11.4 dBsm，可重构微带天线MEMS 开关导通状态的RCS 峰值平均为－17.2 dBsm，MEMS 开关断开状态的RCS 峰值平均为－16.4 dBsm.由此可见，与传统微带天线相比，在观测频带内，可重构微带天线RCS 峰值平均缩减5.8 dB.

3 结 论

在传统微带天线RCS 缩减技术结合可重构天线技术的基础上，本研究提出了一种基于可重构机理的微带天线RCS 缩减技术.该可重构微带天线的微带贴片和地板全部碎片化，并通过MEMS 开关阵列连接.通过引入开关阵列，该可重构微带天线能动态地保持优良的辐射和散射特性，其在低RCS 智能蒙皮天线方面具有较大的研究潜力.

［1］Wilsen C B，Davidson D B.The radar cross section reduction of microstrip patches［C］//IEEE Africon 4th Conference.Stellenbosch，Africa:IEEE Press，1996:730－733.

［2］Zhang J J，Wang J H，Chen M E，et al.RCS reduction of patch array antenna by electromagnetic band-gap structure［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11(5):1048－1051.

［3］Cui G F，Liu Y，Gong S X.A novel fractal patch antenna with low RCS［J］.Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2007，21(15):2403－2411.

［4］Rebeiz G M，Muldavin J B.RF MEMS switches and switch circuit［J］.IEEE Microwave Magazine，2001，2(10):59－71.

［5］Chiao J C.MEMS RF devices for antenna applications［C］//2000 Asia-Pacific Microwave Conference.Sydney，NSW:IEEE Press，2000:895－898.

［6］Maloney J C，Kesler M P，Lust L M.Switched fragmented aperture antennas［C］//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Utah，USA:IEEE Press，2000:310－313.