新型的低RCS圆极化微带天线设计*

张磊，董涛，尹建勇

(1.北京卫星信息工程研究所，北京 100086；2.天地一体化信息技术国家重点实验室，北京 100086；3.北京理工大学，北京 100081)

0 引言

近年来，电子战的快速发展极大地激发了人们对于隐身技术和反隐身技术的研究热情。作为低可观测平台上一种特殊的有效散射体，天线的隐身设计受到了越来越多的关注[1]。与平台上的非主动辐射体不同，天线必须保证电磁波的正常辐射，因此，如何在保证天线辐射性能的同时缩减天线的RCS是一件重要且具有挑战性的工作[2]。

微带天线由于具有低剖面、成本低、易于共形等优点而被广泛使用。目前，已报道的微带天线RCS减缩方法有：加载短路探针技术[3]、贴片整形技术[4]、小型化技术[5]、加载频率选择表面[6-8]、加载电磁带隙结构[9-10]、加载结构型吸波材料[11-12]、加载微带谐振腔[13]等。这些方法在实现微带天线RCS减缩的同时，往往都伴随有增益的下降，因此如何在保持天线增益不变，甚至是提高天线增益的情况下来减缩天线的RCS将是一项非常具有研究意义的课题。

圆极化微带天线具有抗雨雾干扰等优点，其在雷达、航空航天通信等领域具有广泛应用。以往的微带天线RCS减缩方法往往是针对于线极化天线，因此研究具有低RCS特性的圆极化微带天线同样也具有实际的应用价值[14]。

本文针对圆极化微带天线，提出了一种新颖的超材料覆盖层结构，该结构能够在一定程度上提高天线的增益，同时还能在宽频带范围内保持较低的RCS电平，较好地解决了圆极化微带天线增益与低RCS性能之间相矛盾的问题。

1 新型超材料结构的设计与分析

1.1 结构设计

所设计的超材料结构单元如图1所示。该结构为3层式结构：上层的锯齿形金属条带、中间层的介质板以及下层的方形金属贴片。其结构参数如下：介质板为Taconic的RF-35，厚度为H=3.18 mm，周期为L=5 mm，下层方形金属贴片边长为p=4.8 mm，上层金属图形的参数分别为a=0.4 mm，b=1 mm，c=1.4 mm，d=2.5 mm，e=0.2 mm。

图1 超材料结构单元Fig.1 Unit cell of the proposed metasurface

1.2 仿真分析

由于超材料覆盖层的上下表面结构不同，所以，当平面波从不同方向垂直照射到其表面时，超材料结构会表现出不同的反射与传输特性。

首先考虑平面波垂直照射到结构上表面的情况(即平面波沿z轴的负方向传播)，设电场方向为x轴方向。使用高频电磁仿真软件HFSS进行仿真，得到其反射与透射曲线如图2所示。

图2 反射与传输曲线图Fig.2 Reflection coefficient and transmission coefficient

由仿真结果可以看出，在9.1～20.4 GHz的频段范围内，该结构的交叉极化反射系数要大于同极化反射系数和同、交叉极化的传输系数，这说明入射平面波的电场在经过超材料结构反射后，方向发生了变化，转变为交叉极化方向，证明了该结构能够在较宽的频带范围内实现入射电场的极化旋转。

极化旋转的原理如下：如图3所示，入射的电场Ei可以被分解成沿着箭头方向的平行分量Evi和垂直于箭头方向的垂直分量Eui。当入射电场平行于箭头方向(v方向)，该超材料会产生电谐振，具有类似于理想电导体的特性，因此反射电场Evr与入射电场Evi之间将会产生180°相位差；而当入射电场垂直于箭头方向时(u方向)，该超材料将会产生磁谐振，具有类似于高阻抗表面的特性，因此反射电场Eur与入射电场Eui之间将会产生0°相位差。最终，与入射电场相比，通过向量合成，得到了一个产生了90°旋转的反射电场。因此，将该结构与其具有镜像关系的单元组合在一起，如图3所示，则两者反射的电场将具有180°相位差，如图4所示，最终造成反射波在远场的相互抵消，实现减缩RCS的目的。

图3 超材料结构及其镜像结构Fig.3 Unit cell and the mirror unit cell of metasurface

图4 超材料单元与其镜像单元之间相位差Fig.4 Phase difference between the unit cell and the mirror unit cell of metasurface

然后考虑平面波垂直照射到结构下表面的情况(即平面波沿z轴的正方向传播)，设电场方向为x轴方向。其反射与透射曲线，如图5所示。由仿真结果可以看出，该结构并不具有常规带通天线罩的完全透射特性，而是具有部分反射特性，如果将其放置于天线上方，将会和天线地板之间形成Fabry-Perot谐振腔[15]，从而有助于增强天线的增益。

图5 反射与传输曲线图Fig.5 Reflection coefficient and transmission coefficient

2 低RCS微带天线的设计

为了验证超材料对于天线辐射性能和散射性能的作用，设计了作为参考的圆极化微带天线和加载覆盖层的低RCS圆极化微带天线，2种天线的工作频率为6 GHz，采用切角实现右旋圆极化，其结构如图6所示。2种天线的介质板均为Taconic的RF-60A，尺寸为30 mm×30 mm×3.18 mm。超材料覆盖层由图1所示的单元及其镜像单元组成，共36个结构单元。介质板均为Taconic的RF-35，其尺寸同为30 mm×30 mm×3.18 mm。超材料覆盖层下表面与天线上表面之间的距离为6 mm。

图6 天线结构图Fig.6 Geometry of the reference antenna and the low RCS antenna

使用高频电磁仿真软件HFSS分别对2种天线的辐射和散射性能进行仿真优化，其仿真结果分别如图7和图8所示。

图7a)～e)分别展示了2种天线辐射性能的对比结果。由结果可以看出，2种天线都能够很好地工作在6 GHz频率附近。与参考天线相比，低RCS的微带天线阻抗带宽和轴比带宽要小于参考天线，分别降低了3.63%和1.34%，这主要是由于加载超材料结构的影响。在中心频率处(6 GHz)，低RCS微带天线的增益比参考天线提高了1.4 dB，同时，从图7e)中也可以看出，在2种天线轴比均小于3 dB的频段范围内(5.91～6.03 GHz)，低RCS微带天线的增益均要高于参考天线，平均提升了1.46 dB，验证了超材料结构对天线增益提升的作用。

图7 辐射性能曲线Fig.7 Radiation performances of two antennas

图8 散射性能曲线Fig.8 Scattering property of two antennas

从图8的散射性能对比图中可以看出，在平面波垂直入射的条件下，与参考天线相比，低RCS的圆极化微带天线在9.7～21 GHz的频段内具有更低的RCS电平值，整个频段范围内，RCS平均减缩幅度分别为9.06 dB(X极化)和9.21 dB(Y极化)，最大减缩幅度分别为20.93 dB(X极化)和26.76 dB(Y极化)。

由图2可知，加载的超材料结构在9.1～20.4 GHz频带范围内具有极化旋转特性，而RCS减缩的频带为9.7～21 GHz，两者基本吻合，验证了该方法的正确性。两者之间的细微差别主要来源于仿真条件的不同：图2中得到的结果是超材料结构在无限周期条件下得到的，而图8的结果是在只加载了3个周期的超材料结构单元条件下得到的，单元数量的减少会造成一定的偏差。

由图8c)和8d)可以看出，在12 GHz频点处，对于2种极化，低RCS微带天线在-15°～15°的θ角域范围内均具有更低的RCS电平。在该角域范围内，与参考天线相比，RCS减缩的平均值分别为6.87 dB(VV 极化)和13.36 dB(HH极化)。

3 结束语

本文针对圆极化微带天线的宽频带隐身问题提出了一种新的解决方法，该方法的关键在于超材料覆盖结构的设计，该结构同时具有部分反射特性和极化旋转特性，将其应用于常规的圆极化微带天线，可以同时实现提高天线增益和降低天线RCS的双重目标。结果表明：该超材料结构可以带来大于1 dB的增益提升效果，同时加载了该结构的圆极化微带天线在9.7～21 GHz的宽频带范围内保持较低的RCS电平值，整个频带内，RCS平均减缩幅度超过9 dB。仿真结构证明了设计方法的有效性与准确性，表明该方法可以应用于对圆极化微带天线有低散射特性需求的场合。

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