应用天线二次辐射对消缩减天线RCS* 1

任志刚

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)



应用天线二次辐射对消缩减天线RCS* 1

任志刚

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

摘要：天线雷达散射截面的缩减(RCS,Radar Cross Section)在军事应用中日益重要，随着隐身技术的不断发展，天线雷达散射截面的缩减成为实现低散射平台电磁隐身特性的关键。非阵列天线的单站散射除结构项散射外，还包括天线作为接收装置截获入射能量并将其发射出去而引起的二次辐射，即天线模式项散射，当前模式项散射主要通过匹配负载的方式进行缩减而未较好的对其进行利用。通过对天线模式项散射及天线结构项散射的分析及讨论，通过端接负载控制天线模式项散射与天线结构项进行的对消，提出一种利用天线二次辐射对消缩减天线RCS的方法。

关键词：雷达散射截面RCS；模式项散射；结构项散射；二次辐射对消

0引言

21世纪隐身技术在军事领域的应用更加广泛，世界各国都及其重视隐身武器研究和应用[1-2]。随着隐身技术的飞速发展，飞行器以及舰艇等武器平台自身的RCS得到了很好的缩减，与以前相比下降了1到2个数量级。同时新技术如FSS结构、吸波材料等隐身新技术的发展以及应用，使飞行器等隐身目标自身的RCS已经非常小，因而其RCS的主要贡献来源于飞行器、舰艇等武器平台上的天线系统，当前，战斗机、舰艇等武器平台上的天线系统数量已达数十乃至上百部，因此，低RCS天线技术是保障武器平台目标隐身性能的重要手段。

天线的散射较一般目标的散射更为复杂，其分析手段通常采用矩量法或有限元法[3]等数值方法。非阵列天线不但具有一般散射体的镜面反射、边缘绕射等结构项散射，还有天线作为接收装置截获空间入射电磁波能量并将其二次辐射出去而引起的模式项散射[4-7]。天线作为电磁波发射和接收装置的特点，使其散射特性尤为复杂。

本文从天线结构项散射及天线模式项散射出发，分析了非阵列天线单站散射的特点，并针对天线带内散射特点，提出在一定角域内利用天线二次辐射进行对消的方法缩减天线的RCS。

1天线系统散射分析

从散射角度上讲，天线RCS[1-2]可折分为天线单元的结构项(σs)和模式项(σa)，其表达式如下：

(1)

ψ表示天线结构项及模式项散射场之间的相对相位差。

天线散射主要由其本身的结构项散射及模式项散射构成。天线模式项散射又主要与天线的辐射方向图、端口负载、极化匹配等参数有关，天线单元的模式项的单站RCS计算公式为：

σa=G2μ2Γ2λ2/4π

(2)

KahnandKurss[3]用散射矩阵描述了接收天线端接负载接收到的能量及天线散射能量之间的关系。Hansen[5]对广义散射矩阵理论进行了梳理，对天线结构项散射与模式项散射进行了重新定义。

为了分析方便，沿用KahnandKurss[4]中的散射矩阵定义, 当定义天线为无耗时，可以表示如下。

(3)

bα=Sαα·Γ·bα+Sαβ·aβ

(4)

(5)

若设天线口径效率为ξ，定性考虑天线结构项与模式项之间的关系，式(5)可重写为：

(6)

式(6)表述了天线口径效率越好，天线结构项散射将逐渐消失，天线接收到的全部能量部分被端口吸收，部分通过模式项散射二次辐射到空间；当天线效率越差时，天线辐射能力变小，逐渐退化为普通结构项散射。即天线只在带内表现出模式项散射，而带外只有结构项散射。

2应用二次辐射对消天线结构项

对于普通的天线，其口径效率一般均小于1，即使通过阻抗匹配，仍有部分结构项散射无法消除。然而，通过对天线端口阻抗进行设计，可以使得天线模式项散射与结构项散射幅度相同、相位相反，完成在特定观察角度上模式项散射与结构项散射的对消，大幅度降低天线在该角度上的后向散射。

为了完成模式项与结构项散射的对消，首先对天线单元的结构项及模式项进行分离提取[5]进行介绍，考虑如图1所示的天线模型。

图1　天线散射模型

针对图1所示天线散射模型，首先，在馈电传输线的单模传输区选择参考面Sa，令Sa短路。这样，天线端接负载Zl=0，负载反射系数Γl=(Zl-Zc)/(Zl+Zc)=-1。此时，可将天线的散射总场写为：

(7)

然后，令参考面Sa开路，即Zl=，Γl=1。此时，天线总的散射场为：

(8)

联合求解式(7)和式(8)，可得到：

(9)

得到结构项与模式项的表达式后，通过联立上述方程，令其幅度相等，相位相反，可以得到需要的反射系数，从而得到端接负载的参数值。

(10)

由式(10)可以得到使得不同单站RCS考察角度散射值最小时，天线端口需要加载的阻抗值。

(11)

为了达到在一定角域内RCS均值较小，对于Theta进行优化，以正负40°角域内天线RCS均值为缩减目标，选取入射角15°进行对消，得到了较好的缩减效果。

3数值算例

为了验证上述方法，这里给出微带天线模式项RCS的提取。所给矩形微带天线的结构如图2 所示，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。该天线激励Y极化电磁波，故对于X极化其口径效率为0。由第2节分析可知，该天线只能利用天线二次辐射对消技术对天线Y极化RCS进行缩减。

图2　微带天线模型

为获得天线的辐射场与开路短路加载时的散射场，这里采用Feko软件完成计算。图3给出了天线的反射系数，可以看出该贴片单元谐振在2.44 GHz。

图3　反射系数

图4给出该微带天线在E面及H面的增益结果。图5给出该微带天线空间方向图。

图4　E面及H面增益

图5　增益

由式(2)，针对H面通过天线增益计算得到的天线模式项如图6所示。

图6　由增益计算的模式项RCS曲线

通过式(5)计算得到的天线结构项RCS及模式项RCS如图7所示。此时，Theta角度正负40度内RCS的均值为-30.26 dB。从上式可以看出，天线模式项散射在Theta角度正负40°以内大于结构项散射，所以在Theta角度正负40°以内均可以应用天线的二次辐射对消技术对天线RCS进行缩减。

图7　由式(9)计算的结构项及模式项RCS

通过式(6)得到天线法向及15°散射最小时端口需要加载的阻抗值，利用FEKO进行仿真得到此时微带天线的RCS对比曲线如图8所示。

图8　法向与15度对消后天线RCS曲线对比

从图8中可以看出，针对15°利用天线二次辐射对天线RCS进行缩减后，天线RCS的缩减效果更好。

4结语

非阵列天线散射主要包括模式项散射及结构项散射两部分，通过对微带天线结构项散射及模式项散射的分析，可知对天线模式项散射及结构项散射独立进行缩减不可能得到最优的天线散射特性，通过天线二次辐射对消技术，可以将天线的模式项散射与结构项散射进行对消，从理论上将天线的RCS缩减至无穷小，微带天线上的应用实例验证了天线二次辐射对消技术的有效性。天线二次辐射对消技术对天线RCS的缩减有着较为重要的理论意义。

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RCSReductionofAntennawithReradiationInterferenceCancellation

RENZhi-gang

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036,China)

Abstract：RCS reduction of antenna now becomes increasingly important in modern military application. With the continuous development of stealth technology, RCS reduction of antenna must be considered in particular when applied to low RCS platform. In addition to structural-mode scattering, single station RCS of non-array antenna, also involves the antenna-mode scattering——a result of antenna reradiation. Matched loading is often used to reduce the antenna-mode scattering, but no further utilization done to the antenna-mode scattering. Based on discussion and analysis of the antenna mode scattering and structural mode scattering, a method with antenna mode to reduce RCS of antenna is proposed.

Key words：RCS (Radar Cross Section); antenna-mode scattering; structural-mode scattering; reradiation interference cancellation

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.009

* 收稿日期：2016-01-03；修回日期：2016-04-05Received date:2016-01-03；Revised date：2016-04-05

中图分类号：TN82

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)05-0554-04

作者简介：

任志刚(1981—)，男，博士，主要研究方向为计算电磁学，天线设计，数值代数。