基于组合梯度超表面的低RCS微带天线设计

庄亚强 王光明 张青峰

(1. 空军工程大学防空反导学院,西安 710051;2. 南方科技大学电子与电气工程系,深圳 518055)

引 言

微带天线凭借低剖面、轻重量、易加工,且易与目标载体共形的优点,广泛应用于飞行器的通信系统．当前,飞行器的隐身化是一个重要发展方向,作为飞行器上发射和接收信号的射频前端设备,天线的雷达散射截面(radar cross section, RCS)是整个飞行器RCS的重要组成部分,因此缩减天线的RCS对飞行的隐身化设计具有深远意义[1]．天线的RCS减缩设计与雷达目标的RCS减缩设计不同,其隐身设计应该建立在天线辐射特性保持不变的前提下,这也是天线RCS减缩设计的难点．

近年来,超表面由于可在亚波长维度上实现对电磁波幅度、相位、极化等特性的灵活调控[2],因此广泛应用于波束调控[3]、极化调制[4]、低RCS天线[5-14]等领域．与传统雷达隐身技术的分类相似,基于超表面的天线RCS减缩技术也可以大致分为两类,第一类是将入射电磁波进行损耗吸收,第二类是调控入射电磁波的散射场分布,使散射波偏离威胁方向．文献[5]将超薄吸波体应用于缝隙天线的RCS减缩,但是由于吸波体固有的窄带特性,存在减缩带宽窄的缺点．为了增大天线RCS减缩的带宽,文献[6]设计了一种加载集总电阻的宽带吸波体结构,可实现天线RCS在6.75～17.91 GHz减缩3 dB以上,但是集总电阻的引入增大了加工的难度．刘英等基于极化旋转单元设计棋盘格超表面应用于缝隙阵列和微带天线的RCS减缩,存在双站RCS仍然较大的不足[7-8]．李增瑞等将随机编码技术用在减缩微带阵列天线的RCS上,需要进行耗时的优化过程才能获得理想的减缩效果[9-10]．

本文基于梯度超表面的奇异反射特性提出了一种天线RCS减缩新技术,将8个梯度方向间隔45°的相位梯度超单元按顺序排列在天线辐射贴片的周围,可在7.2～18.4 GHz实现5 dB的RCS缩减,同时保持天线辐射特性基本不变．与已报道的技术相比,该RCS减缩技术具有设计简单、超宽带工作的优点．

1 超表面单元设计

超宽带相位梯度超表面设计的关键是设计满足相移要求的宽带单元,为此,我们设计了双频单元以增加单元的工作带宽,如图1所示．单元由三层构成,上层是金属结构,中间层是h=3 mm、tanδ=0.001的聚四氟乙烯玻璃布板,底层是全金属地,金属层的厚度为0.036 mm．单元结构由十字贴片和十字环构成,通过合理调节两部分结构,使得各自的谐振频率相融合以实现宽带特性．经过优化,具体尺寸参数为p=9 mm,a=b=0.4 mm,w=2.4 mm．反射相位的调控是通过调节贴片的长度l实现的．采用CST Microwave Studio的频域求解器对单元的反射系数进行仿真,在x和y方向上分别设置unit cell边界条件以模拟无限周期边界,反射系数的仿真结果如图2所示．从图2(a)可以得到,在三种长度下单元的反射幅度均接近于0 dB,表明三种单元工作在全反射状态．从图2(b)可以看出,当l=6.35 mm、4.84 mm和3.6 mm时,在10 GHz处的反射相位分别为-259.8°、-139.9°和-20.1°,相邻相位间隔约为120°,因此可用该三种单元构成相位梯度超表面．另外,还可以得到反射相位曲线随频率变化的线性度良好,且不同长度下的相位曲线近似平行．基于该单元结构设计的一维和二维相位梯度超单元如图3所示,红色箭头表示相位梯度的方向,一维超单元是由三个单元沿x方向排列,同时沿y方向周期延拓构成;二维超单元是由三个单元分别沿x和y方向排列构成,在两个方向上的梯度分量相等．根据相位梯度超表面的奇异反射特性可知,一维梯度超表面可实现共面的奇异反射效果,二维梯度超表面具备异面的奇异反射性能．奇异反射方向可以根据广义斯涅尔定律得到,二维梯度满足的定律如下:

(1)

(2)

式中:dΦ/dx和dΦ/dy分别表示沿x和y方向的梯度;θr和φr用于表示反射方向的俯仰角和方位角;θi表示入射角;λ0为自由空间的波长;ni为介质的折射率．一维梯度是二维梯度的特殊情况,其反射方向可由式(1)得到．

图1 单元结构示意图Fig.1 Schematic of unit cell

(a) 幅度 (b) 相位(a) Magnitude (b) Phase图2 不同尺寸下反射系数的频率响应Fig.2 Reflection coefficient with different dimensions versus frequency

图3 一维(左)和二维(右)相位梯度超单元示意图Fig.3 Schematic of 1D (left)and 2D (right) phase gradient supercell

2 低RCS天线的设计与仿真分析

首先我们设计了一款工作在10 GHz处的同轴背馈微带天线,介质板沿用与超表面单元相同的介质板,辐射贴片的尺寸为La=9.5 mm,Wa=8.3 mm,整个天线周期为Pa=81 mm．在此基础上,我们在辐射贴片周围排布了所设计的一维和二维梯度超单元,排布原则是一维超单元和二维超单元交替相间,且相邻超单元之间梯度方向依次相间45°,如图4所示．共有8个梯度方向各异的超单元排布在辐射贴片的周围,由于相位梯度超表面的奇异反射方向由相位梯度决定,因此这8个超单元的共同作用将会把入射电磁波散射到各个方向,表现出漫反射的效果,从而降低天线的RCS．

采用CST Microwave Studio的时域求解器分别对原始天线和加载超表面后的天线进行全波仿真,S11的仿真结果比对如图5所示,可得超表面加载前后天线的S11变化不大,回波损耗小于10 dB的带宽从9.2～10.9 GHz变为9.3～11 GHz,谐振频率保持在10 GHz处不变,表明超表面的引入并不会对天线的匹配性能造成严重影响．我们继续研究超表面的加载对天线辐射特性的影响,加载超表面前后天线在10 GHz处的方向图仿真结果如图6所示,可见超表面的加载并未对辐射方向图带来严重影响．从图6可以看出:低RCS天线的E面方向图最大辐射方向偏离了15°左右,但是增益提高了1.1 dBi;H面方向图的最大辐射方向和增益基本保持不变．因此可以得出结论,加载超表面后的低RCS微带天线基本保持了原始天线的辐射特性．

图4 低RCS天线结构示意图Fig.4 Schematic of low RCS antenna structure

图5 原始天线和加载天线的S11比较Fig.5 Comparison of S11 parameter for initial antenna and loaded antenna

(a) E面 (b) H面(a) E-plane (b) H-plane图6 原始天线和加载天线的辐射方向图比较Fig.6 Comparison of radiation pattern for initial antenna and loaded antenna

接下来研究低RCS天线的散射特性,分别设置x极化和y极化平面波垂直照射,得到低RCS天线相较于原始天线的RCS减缩值如图7(a)所示,可见两种极化下的RCS减缩响应几乎一致,体现了该低RCS天线的低散射特性具有极化不敏感特性,x极化波激励下RCS缩减5 dB以上的带宽为7.2～18.4 GHz,最大减缩值达到了20 dB以上,覆盖了天线的工作带宽(9.3～11 GHz),注意到y极化波在7.8～9 GHz的减缩值小于5 dB,这是由于辐射贴片的各向异性导致的．继续研究斜入射条件下的RCS减缩性能,图7(b)给出了x极化波分别从0°和45°入射的RCS减缩比较结果,可以得出,低RCS天线在45°斜入射条件下仍然具有超宽带RCS减缩特性,只是在8.1～9 GHz和13～13.3 GHz的减缩性能变差,表明该RCS减缩技术具有大入射角稳定性．选用带内(10 GHz)和带外最佳减缩点(14.3 GHz)两个频点比较两种天线的双站RCS,如图8所示．可以得到:在10 GHz处,低RCS天线在±20°角域内的双站RCS均小于原始天线,但是在个别角域内,其双站RCS相较于原始天线有所增大,但是增加量比镜像角域内的减缩量小,该现象是由散射能量的重新分布导致的;而在14.3 GHz处,低RCS的散射能量分布更为平均,双站RCS峰值很低,漫反射效果显著．

(a) 不同极化入射(a) Incidence of different polarizations

(b) 不同角度入射(b) Incidence of different angles图7 单站RCS减缩Fig.7 Monostatic RCS reduction

(a) 10 GHz

(b) 14.3 GHz图8 双站RCS比较Fig.8 Comparison of bistatic RCS

3 加工与实验

为了对所设计的低RCS天线进行实验验证,采用印刷电路板技术(printed circuit board,PCB)加工了原始天线和低RCS天线的样品,如图9(a)所示,介质板为厚度3 mm的F4B,测试平台搭建如图9(b)所示．首先采用矢量网络分析仪测试低RCS天线的S11,测试和仿真的比较如图10所示,测试结果表明低RCS天线的回波损耗小于10 dB的带宽为9.25～11.35 GHz,与仿真结果(9.3～11 GHz)的一致性良好．10 GHz处方向图的测试和仿真结果比较如图11所示,可以得到测试结果与仿真结果的一致性良好,微小的差异是由于加工和测试误差引起的．由于实验条件限制和RCS减缩的极化不敏感性,我们只测试了6～18 GHzx极化波激励下的散射特性,单站RCS减缩的测试和仿真结果比较如图12所示,虽然与仿真结果的趋势有所差异,但是在7.2～18 GHz RCS减缩效果显著．

(a) 样品实物图(a) The prototype of fabricated sample

(b) 测试设置图(b) Measurement setup图9 天线样品及测试Fig.9 The antenna sample and measurement

图10 低RCS天线的S11Fig.10 The S11 of low RCS antenna

(a) E面 (b) H面(a) E-plane (b) H-plane图11 低RCS天线的方向图Fig.11 The radiation pattern of low RCS antenna

图12 后向单站RCS减缩Fig.12 The backward monostatic RCS reduction

4 结 论

本文采用梯度方向各异的梯度超单元加载在微带贴片周围,在保持辐射特性不变的同时可实现将天线的散射场向各个方向发散,表现出漫反射现象．该方法实现简单,无需耗时的优化就可以实现性能优良的漫反射特性,解决了传统技术中存在的带宽受限和设计复杂的问题．但是所设计的低RCS天线只实现了5 dB的RCS减缩,可考虑设计更加小型化的单元来提升减缩性能．