基于模式项散射的吸波结构

郭 晨

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

随着各种新型探测系统和精确制导武器的相继问世，隐身技术在军事领域中的重要性与日俱增。各类隐身平台通过结构修形、雷达吸波材料/结构等隐身技术，使其自身的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)降低到了一定的量级。隐身平台上的各类天线逐渐成为平台的主要散射源，吸波材料及吸波结构是缩减目标RCS 的重要技术手段[1]，近年来受到了越来越多学者的关注[2-3]，并逐渐用于天线RCS 缩减设计之中。

隐身平台天线作为电磁波发射和接收的装置，其辐射性能需先满足各功能的要求，在此基础上对天线采取的雷达隐身手段才有意义。传统的磁性吸波材料，对天线的辐射性能影响较大[4]，因此在实际应用中，更多地应用于机身蒙皮表面及天线的弱辐射区域，较少直接用于微带天线/微带天线阵列的RCS 缩减。传统的磁性吸波材料大多是基于Salisbury 吸收屏原理设计的，该吸收屏是一种谐振式的窄带吸收体，该类材料是在金属地前方四分之一波长处放置一个电阻层构成的[5]。该类材料会增加天线剖面高度，多数情况下，在天线结构中引入该类吸波材料带来的收益甚至不能弥补增加剖面高度带来的雷达隐身性能的恶化。

超材料(Metamaterial，MTM)是一种具有奇异电磁特性的新型复合媒质，包括左手材料(Left-Handed Material，LHM)、电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap，EBG)、人 工 磁 导 体 (Artificial Magnetic Conductor，AMC)等。利用MTM 的奇特电磁特性可以设计多种雷达吸波结构[6]。例如，通过调控MTM结构单元等效媒质参数，可以制备出对电磁波近100%吸收率的完美吸波体(Perfect Metamaterial Absorber，PMA)[7];利用AMC 和理想电导体(Perfect Electric Conduct，PEC)反射电磁波相位相差180°的特点，令AMC 和PEC 成棋盘式布局可以将垂直入射电磁波的最大散射方向有效地调节到反射面的对角线方向，使目标的RCS 显著降低[8-9];基于超材料，在THz 频段实现宽带吸波特性[10-11]。然而，以上基于超材料特性设计的吸波结构具有图案复杂、占空比高、吸收频段窄或吸波作用频段偏离传统雷达工作频段的特点。若将该类吸波结构与微带天线/微带天线阵列进行一体化设计，在吸收结构的吸收频段有一定的RCS 缩减作用，但吸波结构的布置会增加微带天线/微带天线阵列的尺寸，增大微带天线/微带天线阵列的结构项RCS，从而使得天线在更宽频段的RCS 受到恶化影响。

本文从天线模式项散射出发，分析了基于天线模式项散射的吸波结构的原理，针对微带天线/微带天线阵列，提出基于天线模式项散射的吸波结构的设计及应用方法，在不影响天线辐射性能的基础上，实现了天线/天线阵列RCS 的有效缩减。

1 天线结构项、模式项散射分析

天线的RCS 由其结构项RCS(σs)及模式项RCS(σa)两部分组成，其表达式如式(1)所示，其中ψ表示天线结构项及模式项散射场之间的相位差[9]。

通过天线加载开路短路负载的方法[10]对天线结构项散射场和模式项散射场进行分离，可得到天线结构项散射场()和模式项散射()表达式分别如式(2)和(3)[11]:

式中:(∞)为天线在开路情况下的散射总场;(0)为短路情况下的散射总场;Γl=(Zl-Zc)/(Zl+Zc) 为负载反射系统;Γa=(Za-Zc)/(Za+Zc) 为天线反射系数(其中，Zl为负载阻抗;Za为天线输入阻抗;Zc为天线馈电传输线特性阻抗)。当天线端口接任意负载Zl时的天线散射总场，可以表示为式(4):

2 基于模式项散射缩减带外RCS 的原理

2.1 天线带外模式项散射、结构项散射分析

为了验证上述推论，以工作中心频率在10 GHz 的垂直极化微带天线为例，天线仿真模型如图1 所示，贴片尺寸为9 mm×8.5 mm，接地板尺寸为27.2 mm×23.1 mm，同轴线背向馈电，馈电点距地板中心下方2.5 mm，介质板厚2.032 mm，相对介电常数为2.2。

图1 微带天线仿真模型Fig.1 Feko simulated model of a microstrip antenna

分别计算5 GHz 频率时，天线短路情况和开路情况下的RCS(垂直极化平面波入射，入射角度:θ=90°，-90°≤φ≤90°)，如图2 所示。以上两种情形的RCS 曲线重合，可验证在工作带外，天线短路状态的散射总场等于开路状态下的散射总场，即(0)(∞) 。

图2 频率为5 GHz 时，天线开路和短路情况下的RCS 仿真曲线Fig.2 Simulated RCS curves of the antenna on short-circuited and open-circuited mode at 5 GHz

图3 频率为5 GHz 时，天线匹配、开路、短路状态RCS 及接地板RCS 对比曲线Fig.3 Simulated RCS curves of the antenna on load-matched，short-circuited and open-circuited mode，compared to the background of the antenna at 5 GHz

2.2 天线带外RCS 缩减分析

在工作中心频率为10 GHz 的微带天线2×2 元阵引入工作中心频率为5 GHz 的微带天线，如图4 所示。上述结构变化几乎不会改变2×2 元阵在5 GHz 频率的结构项散射场(结构项主要贡献仍然是接地板)，当天线单元端口加载任意阻抗值Zl时，引入天线单元的模式项散射场，图4 结构的散射总场可写成下式:

图4 2×2 元阵(工作于10 GHz)中放置天线单元(工作于5 GHz)示意图Fig.4 Schematic diagram of an antenna(worked at 5 GHz) on the center of a 2×2 array(worked at 10 GHz)

当工作中心频率为5 GHz 的天线端口加载合适的阻抗值时，该单元的模式项散射场可在5 GHz 频率与2×2 元阵结构项散射场对消，从而实现对2×2 元阵带外RCS 的缩减。Zl阻值满足以下条件，应能达到理想的最优对消效果。

需要说明的是式(7)针对不同频率和入射角度会得到不同的最优阻抗值。但是，式(7)计算复杂，并且满足式(7)的Zl阻值通常是复数，如按最优值设计，吸波结构需要引入电容或电感的加载，会增加吸波结构的设计复杂度。因此，需要进一步简化Zl阻值的优化设计过程。

根据2.1 节推论，微带天线结构项RCS 的主要贡献为接地板，天线单元结构项散射场等于2×2 元阵结构项散射场。上述问题可简化为天线单元自身结构项散射与模式项散射的对消。当负载Zl=Za时，天线单元处于匹配状态可达到较优的对消效果[12]，此时Γl=Γa，图4 结构的散射总场如式(8)所示。

为避免引入电容、电感，需将天线输入阻抗Za优化为常数。

3 吸波结构设计方法和仿真结果

为了减小吸波结构对微带天线/天线阵列电性能的影响，选用结构简单、占空比小的线天线形式来设计吸波结构。

在微带2×2 元阵中心加入吸波结构，结构示意图如图5 所示，吸波结构线宽为0.2 mm，优化吸波结构长度为22 mm，使得吸波结构端口在5 GHz 频率的阻抗虚部为0，并在端口处加载36 Ω 的匹配负载，实现较优匹配。通过仿真对比2×2 元阵加载吸波结构前后的RCS。

图5 2×2 元阵加载吸波结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the 2×2 array loaded with the absorbing structure

图6 为2×2 元阵加载吸波结构前后的RCS 仿真对比曲线(垂直极化平面波入射，入射角度:θ=90°，-90°≤φ≤90°)，其中吸波结构分别加载36，100 和200 Ω 阻值的匹配负载。可以看出，在微带天线2×2元阵加载针对5 GHz 频率设计的吸波结构后，加载阻值处于较优匹配状态，天线阵列法向RCS 大概有8 dB左右缩减效果;加载阻值为100 Ω 时，天线阵列法向RCS 有1 dB 左右缩减效果;而加载阻值进一步变大到200 Ω 时，天线阵列法向RCS 几乎没有变化。在同一频率下，吸波结构加载不同阻值匹配负载时，因模式项散射场差异使得对消效果不同，导致对天线阵列RCS 缩减效果存在差异。

图6 5 GHz 频率下，2×2 元阵加载吸波结构前后RCS 对比Fig.6 The effection of the absorbing structure on the RCS of the 2×2 array at 5 GHz

图7 为吸波结构保持36 Ω 阻抗匹配时，2×2 元阵在4 GHz 和6 GHz 频率下，加载吸波结构前后的RCS仿真对比曲线。可以看出，针对5 GHz 设计的吸波结构在4 GHz 和6 GHz 基本没有缩减RCS 的效果。说明在不同频率，吸波结构的模式项散射可达到对消效果所需的匹配阻值不同。

图7 4 GHz 和6 GHz 频率下，2×2 元阵加载吸波结构前后RCS 对比Fig.7 The effection of the absorbing structure on the RCS of the 2×2 array at 4 GHz and 6 GHz

图8 为2×2 元阵加载吸波结构前后的增益仿真对比曲线(θ=90°，-90°≤φ≤90°)，可看出吸波结构对天线阵列的辐射性能没有影响。

图8 2×2 元阵加载吸波结构前后增益对比Fig.8 The effection of the absorbing structure on the gain of the 2×2 array

4 应用实例

在Ka 频段天线阵列加载基于模式项散射的吸波结构，结构示意如图9 所示。金属臂与仿真示例相比，在横向进行了延伸，该设计是为了增加吸波结构电长度，使其更易在X 频段实现阻抗虚部为0 的特性。通过在金属臂中间接焊0.2 mm×0.2 mm 尺寸的表贴电阻，表贴电阻阻值可选范围较广，容易与对消效果较优的阻抗值相匹配。

图9 Ka 频段天线阵列加载吸波结构示意图Fig.9 Schematic diagram of a Ka band array loaded with the absorbing structure

经过RCS 暗室测试验证，测试Ka 天线阵列加载吸波结构前后的RCS，在X 频段的RCS 测试结果如图10 所示，天线阵列法向RCS 带来6 dB 左右缩减效果(垂直极化平面波入射，入射角度:θ=90°，-90°≤φ≤90°)。与仿真示例缩减效果的差异，主要在于吸波结构的模式项散射大小不一致，能达到的缩减效果会有区别。

图10 Ka 频段天线阵列加载吸波结构RCS 测试曲线Fig.10 The RCS test curves of a Ka band array loaded with the absorbing structure

5 结论

本文对天线的带外结构项散射和模式项散射进行了分析。并针对微带天线/阵列，提出了一种基于模式项散射的吸波结构，将吸波结构的模式项散射与微带天线/阵列的带外结构项散射进行对消，达到天线RCS缩减的作用。通过仿真分析，验证了基于模式项散射的吸波结构既不影响微带天线/阵列的辐射性能，还具有较好带外RCS 缩减效果的特性。同时，本文给出某Ka 频段天线阵列加载基于模式项散射的吸波结构的实物测试结果，该结构在X 频段带来6 dB 左右缩减效果。本文的工作对天线RCS 缩减设计提供了新的思路。