一种微带天线RCS减缩方法与实现

陈续战，穆 欣，李 方

一种微带天线RCS减缩方法与实现

陈续战，穆 欣，李 方

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

微带贴片天线因其具备的多种优点已广泛应用于通信、雷达等各个领域，微带贴片天线在不影响其辐射性能的前提下，提升其雷达隐身性能即进行RCS（雷达散射截面）减缩，一直以来都是重要的研究方向。通过分析微带天线RCS减缩机理，提出了一种通过对矩形微带天线进行H形缝隙加载的方法，提升其雷达隐身性能，实现了天线辐射性影响较小基础上，在X波段内天线的RCS得到大幅减缩。

微带天线；RCS减缩；H形缝隙加载

0 引言

微带贴片天线因其易于共形、低剖面、重量轻、加工简单等特点已广泛应用于通信、雷达、导航等各个领域[1]，随着人们对低雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）天线的愈发重视，对微带天线的RCS减缩也提出了越来越高的要求，微带天线的RCS减缩一直是RCS减缩研究的重要课题[2]。

在天线的应用中，既要保证天线对于带内电磁波的辐射性能，又要保证天线具备较低RCS，这是天线RCS减缩的一个关键难点[3]。一般情况下，对于微带天线一般会采用增加吸波材料、电阻加载技术[4]、减小贴片面积[5]等方法来进行RCS减缩，但此类方法对天线辐射性能都有较大影响，往往是以较大幅度牺牲天线增益和辐射效率而换取较好的RCS减缩效果。

研究表明，影响天线RCS有三个方面：一是入射波的增益；二是天线辐射增益；三是空间中天线实部阻抗与天线总阻抗模值的比值。本文通过分析微带天线的散射机理，讨论对常规矩形微带天线进行H形缝隙加载的方法[6]，通过此种方法，设法调整天线在空间中的阻抗特性，降低空间中天线实部阻抗与天线总阻抗模值的比值，实现在辐射性能牺牲较小的同时，获得RCS显著减缩效果（X波段）。

1 矩形微带天线散射及RCS减缩原理

定义：

则：

根据互异性，可得：

联立式（4）～式（9）并简化，可将式（9）散射场截面积进一步写作：

2 微带天线电性能仿真以及RCS减缩仿真

2.1 微带天线电性能仿真对比

本文设计谐振频率为1的矩形微带贴片天线，天线介质板相对介电常数为3，厚度为1.5 mm。仿真模型如图1所示。

图1 矩形微带天线仿真模型

矩形微带天线驻波仿真结果如图2所示。

图2 矩形微带天线驻波仿真结果

矩形微带天线方向图仿真结果如图3所示。

图3 矩形微带天线增益仿真结果

对矩形微带天线进行H形缝隙加载后，对贴片尺寸进行优化并进行电性能仿真，模型如图4所示。

图4 进行H形缝隙加载后天线仿真模型

进行H形缝隙加载后驻波仿真结果如图5所示。

图5 进行H形缝隙加载后天线驻波仿真结果

进行H形缝隙加载后驻波仿真结果如图6所示。

图6 进行H形缝隙加载后天线增益仿真结果

由以上仿真结果对比可以看出，对矩形微带贴片进行H形缝隙加载后，天线驻波由1.04增大至1.11，增大0.07，增益由6.38 dB降低至6.36 dB，降低0.02 dB，可见通过对矩形微带天线进行H形缝隙加载，对于天线辐射性能影响很小。

2.2 矩形贴片RCS仿真

入射波方向的仿真计算范围如图7所示。

图7 入射波方向的仿真计算范围

矩形微带天线RCS仿真模型如图8所示。

图8 矩形微带天线RCS仿真模型

图9 矩形微带天线6～12 GHz各频点仿真RCS均值

2.3 矩形贴片进行H形缝隙加载后RCS仿真

对矩形贴片进行H形缝隙加载后再次进行RCS仿真，仿真模型如图10所示。

图10 天线进行H形缝隙加载后RCS仿真模型

采取同样的RCS均值计算方法，6～12 GHz各频点RCS均值仿真结果如图11所示。

图11 天线进行H形缝隙加载后各频点RCS均值仿真结果

RCS仿真结果对比如图12所示，图12为矩形微带天线进行H形缝隙加载之前和之后的RCS均值的差值，可以看出8～12 GHz取得良好的RCS减缩效果，其中10 GHz减缩最为显著可达12.6 dBsm。

图12 天线进行H形缝隙加载前后RCS均值的差值

3 结语

本文通过对常规矩形贴片进行H形缝隙加载后，经过反复优化缝隙尺寸，结合电性能仿真与RCS仿真，在保证电性能的前提下，RCS减缩效果显著。在增益损失0.02 dB条件下，在8～12 GHz区间，RCS取得显著的减缩效果，8～10 GHz区间RCS取得9～12.6 dBsm的减缩效果。仿真结果表明该RCS减缩方案可以实现显著的RCS减缩效果，同时保证天线辐射性能损失较小。

[1] 钟顺时. 微带天线理论与应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，1991.

[2] BOUFRIOUA A . The RCS of a Resistive Rectangular Patch Antenna in a Substrate-Superstrate Geometry[J]. International Journal of Wireless Communications and Mobile Computing，2013，1（4）：91.

[3] GUSTAFSSON M. RCS Reduction of Integrated Antenna Arrays and Radomes with Resistive Sheets[J]. IEEE，2006：3479-3482.

[4] VOLAKIS J，ALEXANIAN A. RCS reduction of rectangular patch by using distributed loading[J]. Electronics Letters（S0013-5194），1992，28（25）：2322-2323.

[5] 克拉特，阮颖铮. 雷达散射截面：预估，测量和减缩[M]. 北京：电子工业出版社，1988.

[6] JACKSON D R . The RCS of a rectangular microstrip patch in a substrate-superstrate geometry[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation，1990，38（1）：2-8.

RCS Reduction Method and Implementation of Microstrip Antenna

CHEN Xuzhan, MU Xin, LI Fang

Microstrip patch antenna has been widely used in communication, radar and other fields because of its many advantages. Reduction RCS without affecting its radiation performance has been an important research direction to improve its radar stealth performance. By analyzing the RCS Reduction Mechanism of microstrip antenna, a method of loading H-shaped slot on rectangular microstrip antenna is proposed to improve its radar stealth performance. On the premise of less influence on antenna radiation performance, the RCS of antenna is greatly reduced in X-band.

Microstrip Antenna; RCS Reduction; H-Shaped Gap Loading

TN822

A

1674-7976-(2022)-05-374-05

2022-05-06。陈续战（1989.09—），陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向为天馈线设计和RCS减缩。