L波段一维低RCS阵列天线设计方法

任志刚



L波段一维低RCS阵列天线设计方法

任志刚

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

L波段阵列天线是隐身平台的强散射源之一，其主要散射源包括结构项散射、模式项散射及散射栅瓣三类。对上述三类强散射源进行机理分析，提出相应的缩减方法，完成了天线的RCS(Radar Cross Section雷达散射截面)缩减设计，并针对L波段一维低RCS阵列天线的特点，对结构项散射缩减等方法给出了数值仿真验证。针对所示算例，仿真结果表明，采用矩形平板偏置15°的方法，3 GHz频率下可以将结构项散射由3.5 dBsm降低到–26 dBsm。

低RCS；L波段阵列天线；散射；结构项散射；模式项散射；缩减

近年来，随着隐身武器平台自身的散射不断降低，隐身平台上装配的天线逐渐成为散射重点[1-5]。

L-波段阵列天线在充分利用平台空间的情况下，利用自身波长较长的优势，可以获得优异的远距离探测性能，同时在恶劣天气环境中的穿透力及复杂地面杂波下的可靠性也较好[2-3]。此外，L波段往往还可以提供一些“附加功能”，如探测搜索功能，以及像敌我识别/二次雷达这样的“第二功能”。因此，有必要对L-波段阵列天线进行隐身设计。

天线作为一类特殊的散射体，既要正常收发电磁波，又要具备低RCS(Radar Cross Section 雷达散射截面)特性，其隐身设计极为复杂。未经低RCS设计的天线直接暴露在雷达波的照射下，其散射回波较强。天线的特殊性使得常规散射体的缩减手段如整形、吸波材料技术等，不可能通过简单使用就取得较好效果[2-5]，天线的隐身性能已成为隐身平台RCS缩减至关重要的一个方面。

L-波段阵列天线由天线单元、T/R(发射/接收)组件、馈线网络、波控、天线冷却系统等部分组成。L-波段阵列天线除考虑天线结构项散射及天线模式项散射外，还需考虑由周期排布的单元产生的散射栅瓣的影响。阮颖铮[1]及David[2]对天线的隐身原理进行了较为详细的介绍。李小秋等[5]则针对相控阵天线RCS缩减进行了讨论。龙文峰等[6]设计了一种具有宽带特性的L波段天线，对如何展宽带宽进行了较多的讨论，但是对其散射特性则几乎没有提及。

当前鲜有文章对L-波段阵列天线RCS缩减方法进行讨论。本文针对L-波段阵列天线的特点，对其结构项散射、模式项散射及散射栅瓣三类散射源进行研究并提出相应的缩减方法。

1 阵列天线RCS分析

从阵列天线结构组成上看，天线包括安装腔体、天线罩等结构件以及由大量天线单元按照一定规律排布形成的用于辐射电磁波的天线阵面[1]。根据天线的结构组成情况，可将天线的单站RCS（A）拆分为：天线阵面RCS（array）及天线腔体、天线罩体等结构项RCS（s），其表达式为：

式中：am为各天线单元RCS；为入射平面波的波矢量；为天线单元的相对坐标矢量；为天线单元的数量。am还可进一步折分为天线单元的结构项ams和模式项ame，其表达式为[1]：

2 结构项散射

L-波段阵列天线结构项RCS（s）与一般目标的结构项散射相同，该部分散射是由入射电磁波在天线结构上的感应电流或位移电流产生的散射场，与材料自身的物理特性、形状及入射电磁波的频率、极化、方向等相关。低RCS外形修形技术、偏置技术及吸波材料技术是缩减结构项散射的重要措施。

外形修形技术通过对目标的几何外形修形，达到缩减目标RCS的目的。需要强调的是外形修形技术是针对重点角域缩减RCS的方法，通常一个角域RCS的下降，必然是以另外某个角域RCS的上升为代价。天线采用外形修形主要针对目标重点角域的RCS进行缩减。

当前，L-波段阵列天线多在机翼位置采用一维阵列布阵进行布局设计，在满足天线辐射覆盖空域要求的同时，降低RCS缩减难度。俄罗斯新2009年8月莫斯科航展上，展出的一款新型L-波段有源阵列雷达，这款新型L-波段有源阵列雷达的亮点之一就在于它是一种安装在襟翼上的雷达系统。将L-波段阵列天线安装于机翼，利用机翼法向的后向散射较强的特点，将天线在该方向的后向散射隐没在机翼的散射之下。

偏置技术是缩减目标结构项RCS的另外一种重要手段，通过将几何体法向偏置一定角度，可以将几何体法向的散射峰值移出RCS考察区域，从而达到缩减目标RCS的目的。在L波段阵列天线结构项RCS缩减设计中，通过将安装支架后仰一定角度进行设计，可以将安装支架的镜面强散射偏移出威胁区域，偏转角度需综合天线的扫描空域、增益等指标一起考虑，偏置技术可以大幅缩减由安装支架带来的结构项散射。

偏置的基本原理可以由平板的散射特性得到，当平板的轮廓为矩形时，设矩形平板的一边长为，另一边长为，矩形面积，为入射波长，为自由空间波数，入射平面与边之间的角度定义为，入射线与法线之间的夹角定义为，矩形平板的散射公式如下[1]

针对L波段阵列天线，假设天线安装结构支架长边约为1.2 m，短边约为0.2 m，此时用矩形平板代替上述安装结构，对偏置15°效果进行评估，结果如图1所示。

从图1可以看出，矩形平板偏置15°后RCS下降迅速。对0°到60°范围内偏置后的结果取均值统计，可以看出，偏置效果随着偏置角度的增加，逐渐减弱，其结果如图2所示。

从图2中可以看出，偏置15°左右时效果较好，可以将结构项散射由3.5 dBsm降低到–26 dBsm。使用吸波材料是缩减目标结构项RCS的重要手段。在L波段阵列天线结构项RCS缩减设计中，根据实际空间的大小，对吸波材料的厚度及外形进行设计。同时为了取得更好的吸波效果，在吸波材料边缘处设计为阻抗渐变形式，抑制表面不连续性散射等散射源，最重要的一点，必须在天线电性能允许范围内，使用吸波材料缩减天线的结构项RCS。

3 模式项散射

天线的模式项散射指因天线端接负载与天线失配而反射的功率经由天线二次辐射而产生的散射场，是天线作为加载散射体所特有的散射。

对于天线单元RCS的模式项，主要与该天线单元的增益方向图、端口负载、极化匹配等参数有关，并且具有理论计算公式，其双站RCS的公式如下[2]：

图1 频率3 GHz平板偏置15°时的改善效果

Fig.1 Effect of plate with 15° offset for 3 GHz

图2 不同频率平板偏置效果随角度变化情况

从上式中可以看出，天线单元模式项在交叉极化时，因入射、散射极化匹配因子t、r较小而可以基本忽略。当天线单元主要辐射方向为阵面法向，掠入射角度几乎不辐射时，掠入射角度增益趋近于0，此时模式项也几可忽略，其他情况需考虑天线模式项散射。

缩减天线的模式项散射，主要通过调整天线单元的增益及反射系数，对于天线阵则还需考虑单元反射系数的一致性，从而使得整个天线阵的模式项散射得以缩减。

4 天线阵面散射栅瓣

周期排布的结构被电磁波照射时，散射场会因周期排布的结构而出现干涉现象[2-3]，阵列天线阵由周期排布的单元组成，由于其布阵间距较大，如不做特殊处理，天线阵在高于L波段的大部分RCS考察频率上会出现密集的散射栅瓣。散射栅瓣的抑制是L-波段阵列天线RCS缩减的重点之一。

假设天线阵列排布于轴，并认为各天线单元的RCS方向一致，则可以给出天线阵列散射因子：

由（7）式可知，在=90°（天线阵面法向）方向，天线阵列RCS具有最大值。若在特殊电磁波入射方向（b，b）使天线阵列RCS取得最大值（或极大值），则该散射峰为天线阵列的散射栅瓣，其入射方向（b，b）需满足如下条件：

如果在天线阵列RCS考查角域内出现散射栅瓣，其必将大幅增加考查角域内的天线RCS均值，并严重影响该天线阵列隐身性能。从式(8)中可以看出，天线阵列散射栅瓣的主要影响因素是天线单元之间的间距，除此之外，天线单元的RCS方向图也有贡献。因此，散射栅瓣的抑制可以通过单元加密以及控制天线单元RCS方向图两个方面进行。当阵列天线的单元间距小于RCS考察入射波波长的一半时，就可以避免散射栅瓣的产生。在出现栅瓣的角度，通过对天线单元的设计，使单元在同一角度RCS量级更低，从而抵消阵列由于干涉而形成的散射栅瓣是另外一种抑制散射栅瓣的思路。但是由于在单元间距固定的情况下，栅瓣出现角度随频率变化而改变，而单元RCS方向图的谷点设计很难与栅瓣出现角度进行宽带匹配设计，故该方法更适用于窄带的栅瓣抑制设计。

通过天线阵列散射因子对6元一维阵列进行分析，加密后阵列为12元一维阵列，针对工作频点0，波长为0，当布阵间距为0/2时，针对频点0、1.50、20，对比加密前后对栅瓣的抑制效果，结果见图3。

从图3中可以看出，加密技术抑制了天线阵列的散射栅瓣，但是同时提高了阵列散射峰值，由于该峰值位置与安装面的法向峰值重合，且其量级一般远远低于安装面的法向峰值，所以加密技术仍然是有效的抑制散射栅瓣的技术之一。另外一点需要提及的是，虽然加密技术在一个倍频内抑制了天线阵列的散射栅瓣，但是在一个倍频的上限如频点20时，在阵列边缘方向上出现了新的栅瓣，该栅瓣可以通过进一步加密天线阵列进行抑制，但是通常由于单元尺寸等原因限制，难以继续通过加密进行缩减设计。

对L-波段阵列天线的栅瓣抑制分为带内与带外两个部分。带内栅瓣抑制可以通过增加虚拟单元的方式，对天线阵列进行加密，达到减小天线阵列间距的目的，从而抑制天线散射栅瓣。带外栅瓣抑制的最有效手段仍然是频率选择表面技术，通过对频率选择表面天线罩的合理设计，使得散射栅瓣在带外得到较好的控制。

5 结论

通过对L波段阵列天线散射来源的分析，其结构项RCS、模式项RCS及天线散射栅瓣是天线RCS的主要来源。偏置技术、使用吸波材料可以对结构项RCS进行缩减；采用阻抗匹配可以对天线模式项RCS进行缩减；对散射栅瓣则须采用天线单元RCS控制结合加密技术对带内栅瓣进行抑制，同时采用频率选择表面天线罩对带外散射栅瓣进行抑制。

图3 阵列加密示意图及散射栅瓣抑制效果

[1] 阮颖铮. 雷达截面与隐身技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 1998.

[2] DAVID L J. 射频隐身导论[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2009.

[3] 桑建华. 飞行器隐身技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2013.

[4] 何庆强, 王秉中, 何海丹. 智能蒙皮天线的体系构架与关键技术[J]. 电讯技术, 2014, 54(8): 1039-1045.

[5] 李小秋, 潘宇虎, 牛宝君, 等. 低RCS 相控阵天线设计[J]. 现代雷达, 2011, 33(7): 53-55.

[6] 龙文峰, 李杜, 周伟, 等. 超宽带圆锥天线的设计[J]. 重庆理工大学学报(自然科学), 2012, 26(11): 18-22.

（编辑：陈渝生）

Design of one dimension low RCS L-band array antenna

REN Zhigang

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

L-band array antenna of hiding platform is one of large scattering sources, which consists up of three major contributors, scattering, antenna-mode scattering and Bragg scattering. All of the three major contributors were studied, and reduction methods were presented. RCS reduction design of the antenna was completed. And according to the characteristics of the L-band array antenna, the numerical simulation verifications of the structural mode scattering reduction method, etc. were presented. According to the given example, simulation results show that by using the method of rectangular flat biasing 15°, the structural mode scattering can be reduced from 3.5 dBsm to –26 dBsm for 3 GHz.

low RCS; L-band array antenna; scattering; structural mode scattering; antenna-mode scattering; reduction

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.014

TN958

A

1001-2028（2016）07-0060-04

2016-04-23

任志刚（1981－），男，四川成都人，工程师，从事天线设计研究，E-mail: zhigangren@126.com 。

2016-07-01 10:50:46

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.014.html