一种采用可重构极化旋转表面的天线RCS减缩方法

王夫蔚， 李 珂， 任宇辉

(西北大学 信息科学与技术学院，陕西 西安 710127)

雷达截面(Radar Cross Section， RCS)是表征物体散射特性的重要指标，是指电磁波照射时物体在某一方向上返回散射功率的量度．雷达截面既与目标的材料、尺寸、形状、结构等几何或物理参数相关，也与照射电磁波的参数有关，同时目标和电磁波夹角也会对雷达截面造成影响[1-2]．飞行器和舰艇的雷达隐身性能主要取决于它们雷达截面的大小，其隐身技术主要集中在通过各种方法减小飞行器和舰艇对雷达探测波的有效散射截面上，达到降低敌方雷达作用距离的目的．

天线系统作为武器平台通信、作战环节的重要组成部分，必不可少地分布于武器或目标平台的各个位置．更进一步考虑，对于武器平台本身雷达截面已经很大程度降低以后，其天线的雷达截面则相对较为明显，天线的雷达截面控制问题也就逐渐显现，最终使得天线的隐身性能成为影响整体平台隐身性能好坏的一个重要因素．与一般目标平台不同的是，天线首先要保证自身良好的性能，即辐射性能，这就导致常规的目标隐身方式(外形设计，吸波材料等)直接应用于天线隐身当中时会遇到很多问题．因此，天线系统隐身性能的好坏，就成为整体作战平台隐身技术中亟待解决的关键问题之一[3-5]．

由于极化旋转表面(Polarization Rotation Surfaces， PRS)能够改变入射波的极化方向，逐渐地出现在天线的雷达截面减缩研究中[6-7]．极化旋转表面在用于天线或普通金属目标的雷达截面减缩时，首先电磁波入射至极化旋转表面并反射，利用棋盘式分布使得不同区域内的反射波极化相反(即存在180°的相位差)，则不同区域的反射波在反射后由于相位差而相互抵消，进而降低了该部分的雷达截面．但是极化旋转表面在天线雷达截面减缩中使用时，会造成天线本身剖面的增大以及破坏辐射特性等情况，阻碍了极化旋转表面在天线雷达截面减缩中的进一步应用．

可重构技术是指通过具有动态可变的特定功能部件来实现系统在一定输出信号作用下性能动态可调．近年来，可重构技术已经被成功地应用于天线的设计之中．早期的研究主要集中在通过调整辐射结构来改变电流分布进而达到天线辐射特性，例如工作频率、方向图以及极化的可重构[8-10]．与此同时，超材料由于其特殊的电磁特性越来越受到学者们的广泛关注．现有的超材料研究主要以无源结构为主，将可重构理念用于超材料的设计并不多，且多集中在单纯的超材料工作频段变化的可重构技术方面．目前，将可重构超材料用于天线设计当中并不多见，尤其将可重构超材料用于天线的雷达截面减缩更是鲜有报道．

为了解决上述问题，同时基于各种综合因素考虑，笔者提出将可重构极化旋转表面作为天线反射板使用，使得极化旋转表面通过二极管控制分为两种状态．当二极管处于导通状态(即ON-state)时，极化旋转表面的电磁波极化旋转功能并不工作，则其与一般的金属板无异，能够最大限度地保证天线的辐射特性；当二极管处于截断状态(即OFF-state)时，极化旋转表面正常工作，则该反射板处于低雷达截面状态，天线的单站雷达截面得到了最大程度的缩减．

1 可重构极化旋转表面

图1 可重构极化旋转表面示意图

首先给出可重构极化旋转表面的验证仿真实例．图1所示为所设计的可重构极化旋转表面结构示意图，极化旋转表面的工作频段为 6.4～ 10.3 GHz．极化旋转表面是通过在双面覆铜的聚四氟乙烯介质板上蚀刻出的，介质板介电常数为2.2，tanδ为 0.000 9，介质厚度为 2 mm．每个极化旋转表面单元通过二极管相连，并通过贯穿于单元间的金属线完成统一的偏置电压加载．可重构极化旋转表面的参数值如表1所示．如图1所示，若入射波为线极化波，极化方向沿x方向，则该入射波沿 -z方向垂直入射．可将Ei分量分解为p和s两个正交的、等幅、同相分量．因此，入射波电场为

(1)

其中，a表示电场在x、s和p方向上的单位矢量．

类似地，电磁波经过极化旋转表面后将沿+z轴方向反射，反射波电场为

其中，Γ=Γexp(jφ)，表示反射系数；下标ss、ps、sp和pp分别表示p、s极化方向上的主极化分量和交叉极化分量．

由于单一分量的线极化波经反射后极化方向保持不变，则取Γps=Γsp=0．要使反射波电场Er转换为y轴方向(和x方向的Ei相比旋转90°)，其在p和s方向上的分量必须满足幅度相同，且相位相反，即

Γss=Γpp=Γ， Δφ=φss-φpp=2nπ+π ．(3)

此时，有Er=ΓEi0exp(j(-kz+φpp))ay，最终x方向极化的入射波转换成了y方向极化的反射波．

表1 极化旋转表面参数值

图2给出了二极管截断或导通时，极化旋转表面的反射系数变化情况．如图2(a)所示，在二极管截断时，极化旋转表面的工作频段为 6.4～ 10.3 GHz，实线为主极化，虚线为交叉极化．在工作频段内，电磁波均能够有效地由主极化转换为交叉极化．在二极管截断时，如图1所示的排布方式使得散射波在空中抵消，最终达到雷达截面减缩的目的．图2(b)所示为二极管导通情况下的反射系数，其中主极化反射系数大于 -0.1 dB，交叉极化反射系数小于 -15 dB，则在二极管导通时该反射板与一般的金属板无异．因此，该反射板可以在金属板与低雷达截面反射板间相互切换．

图3所示为二极管截断或导通时，极化旋转表面的反射系数随入射角变化的情况．随着入射波与法线夹角逐渐增大，入射波的电场方向发生改变．此时，入射波电场方向并不沿x轴方向，或在x方向只存在x分量．因此，经过极化旋转表面后沿y轴方向的电场也仅为y分量．随着角度变大，x以及y方向分量逐渐减小，所以随着角度变化，极化旋转特性会逐渐变差．可以看出，随着角度的逐渐变大，极化旋转表面的极化转化特性逐渐减弱，但是在入射波角度小于45°的情况下，主极化反射系数均能维持在 -5 dB 以下．

图2 可重构极化旋转表面反射系数

图3 可重构极化旋转表面反射系数随角度变化的曲线

图4 使用可重构极化旋转表面反射板以及金属反射板的天线实物图

图5 准八木天线结构图

2 可重构极化旋转表面在天线雷达截面减缩中的应用

为了说明该方案的有效性，针对之前给出的可重构极化旋转表面模型，使用可重构极化旋转表面置换金属反射板的方法，对使用前后准八木天线的辐射散射特性进行分析．图4所示分别为准八木天线使用普通金属板、可重构极化旋转表面反射板的实物图．图5所示为准八木天线结构图，天线的基本参数如表2所示．

表2 准八木天线参数值

图6 准八木天线S11比对曲线

当天线处于工作状态(即二极管处于ON-state状态)时，分别仿真及实测了准八木天线使用普通金属板以及笔者所提出的可重构极化旋转表面的性能．图6所示为使用两种反射板时天线的仿真及实测S11，可以看出天线的工作频带为 6.3～ 10.3GHz，且使用两种反射板时的S11基本保持不变．图7所示为使用两种反射板时准八木天线的辐射方向图实测结果．如图中所示，使用可重构极化旋转表面后准八木天线的辐射方向图与使用金属反射板的天线辐射方向图吻合良好，天线增益损失约 0.5dB．由以上分析可得，在天线的工作频带内，使用ON-state状态下的频率选择表面反射板能够最大限度地保证天线的辐射性能．

图7 天线辐射方向图比对曲线

为了验证使用可重构极化旋转表面的雷达截面减缩效果，对可重构极化旋转表面的单站雷达截面进行仿真以验证方法的有效性．设置入射波沿天线结构表面、垂直于反射板照射．在平面波照射下，天线的单站雷达截面随频率的变化如图8所示．图8(a)所示为φ极化下入射波照射的单站雷达截面对比曲线，从图中可以看出，与理想电导体反射板相比，雷达截面在 6～ 12GHz范围均有不同程度的缩减，其中在 6.8GHz时，最大缩减量可达 25dB．图8(b)所示入射波为θ极化，雷达截面减缩频段与图8(a)中的类似，其中 6.8GHz时的最大减缩量可达 16dB．仿真结果说明，将可重构极化旋转表面用于天线雷达截面减缩的方法是有效的．

图8 单站雷达截面随频率变化的曲线

为了进一步说明使用该方法的雷达截面减缩效果，图9及图10给出了使用可重构极化旋转表面反射板前后天线的单站雷达截面随角度变化的仿真曲线，中心频率为 9GHz．图9所示入射波极化为φ极化．如图9(a)所示，使用可重构极化旋转表面反射板时，天线xOz面的雷达截面减缩区间为 -50°≤ θ≤ +50°，最大减缩量可达 10dB以上．图9(b)给出了天线yOz面上雷达截面随角度变化曲线，可以看出雷达截面的减缩区间为 -20°≤ θ≤ +20°．图10所示入射波极化为θ极化，xOz面与yOz面上的准八木天线单站雷达截面均有不同程度的缩减，减缩区间为 -20°≤ θ≤ +20°．

图9 天线单站雷达截面随角度变化比对曲线图(入射波φ极化)

图10 天线单站雷达截面随角度变化比对曲线图(入射波θ极化)

由图9和图10可以看出，在不同极化状态下，使用可重构极化旋转表面反射板的天线单站雷达截面峰值有所区别．这是由于入射波是垂直于反射板照射(也就是沿天线表面方向入射)，使用金属反射板时天线系统可看成对称结构，因此单站雷达截面峰值基本一致．而使用可重构极化旋转表面反射板时，由于极化旋转表面的单元结构以及棋盘式排布后的反射板均为非对称结构，对于不同极化的入射波，散射特性会有明显差异．因此，入射波为不同极化时，天线的单站雷达截面峰值会有明显区别．综上所述，当反射板处于OFF-state状态时，天线雷达截面在一定角度范围内均有明显降低，具有良好的工程应用价值．

3 总 结

笔者提出一种采用可重构极化旋转表面置换一般金属反射板的方法，用以实现准八木天线的天线雷达截面减缩，并能够最大限度地保留天线辐射性能．通过二极管对极化旋转表面进行控制，使其能够在一般金属板以及低雷达截面板间相互切换．仿真及实测结果表明，在保证天线辐射特性不被破坏的同时，当使用可重构极化旋转表面反射板时，准八木天线的单站雷达截面最大减缩可达 25 dB 以上，减缩角域为 -20°≤θ≤ +20°．

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