一种具有宽带双极化低散射特征的微带阵列天线

韩嘉良，贾 丹，韩国栋，杜 彪，赵泽康，刘亚昆

(中国电子科技集团公司 第54研究所，石家庄 050081)

0 引言

随着信息化战争时代的快速到来，武器装备隐身性能成为各国的重要发展领域[1]。天线作为武器装备的重要组成部分，其雷达散射截面对武器装备总的RCS(radar cross section)具有不可忽视的影响。微带阵列天线具有重量轻、剖面低、易共形等优点，已广泛应用于低可探测平台，微带阵列天线隐身设计已成为研究热点。

天线隐身设计的方法主要有修形技术[2-3]、基于频率选择表面(FSS，frequency selective surface)的天线罩设计[4-6]、加载雷达吸波材料(RAM，radar absorber metamaterials)[7-8]和电磁超表面 (EMS，electromagnetic surface)[9-11]。其中，修形技术主要用于单元设计而难以直接应用于阵列修形。频率选择天线罩可降低阵列天线带外RCS，而无法降低天线带内RCS。超材料吸收体(MA，metamaterial absorber)[12]和极化转换超表面[13-15]等方法可在较宽的频带上显著降低阵列天线的RCS，但是该方法会增大天线的剖面高度且天线增益损失较大。通过人工磁导体 (AMC，artificial magnetic conductor)[16-20]对电磁波的特殊反射相位，可实现与传统金属结构的散射对消。将该无源散射对消思路应用于阵列天线设计中，通过使两种结构不同的单元产生180°相位差可降低阵列天线的RCS[20-24]，该方法可在不改变天线尺寸的基础上实现天线RCS缩减。

文献[17]通过在缝隙耦合贴片天线单元周围加载AMC结构，在6.4～21.7 GHz范围内降低了天线的RCS，但单元天线的横向尺寸约为波长的3倍。文献[19]将三种AMC结构放置在一维微带阵列天线下方，通过对三种AMC单元的布阵优化，在11.5～16.5 GHz 宽带范围内实现了 3 dB 以上的RCS减缩，但在未进行组阵的方向，其横向尺寸远大于1个波长。兰俊祥等人[20]设计了一种在矩形辐射贴片上开弧形缺口的单元结构，与传统微带单元组成的阵列天线在5.6～6.2 GHz范围内实现了6 dB以上的双极化RCS减缩。贾永涛等人[21]设计了一种加载U型缝隙的新型单元，与传统矩形贴片单元组成阵列天线双极化RCS缩减带宽66.7%。郝彪等人[22]设计了两种上层贴片形状相同、正交放置的微带天线，利用遗传算法将两种天线单元进行非周期排布，双极化RCS缩减带宽41.6%。虽然上述研究对天线RCS减缩取得有效成果，但仍有改善和优化的空间。文献[17]和[19]是将天线单元与AMC结构分开设计，AMC单元是直接用于单元天线的RCS缩减，通过降低单元的RCS来实现阵列RCS缩减，但是在天线单元周围增加额外的AMC无源对消结构，会使得加载后天线单元横向尺寸明显增大，应用于阵列天线时由于天线单元间距增大会导致阵列天线扫描范围受限。文献[20-22]将阵列天线设计与散射对消结构设计融于一体，单元周期均约为半波长尺寸，解决了文献[17]和[19]中存在的矛盾，采用两种散射相位差180°的天线单元组成阵列天线，通过控制散射阵因子实现了阵列天线的RCS缩减。该散射对消方法可以在不改变阵列天线的单元间距和剖面高度的基础上降低阵列天线的RCS，即具有较大的研究价值也具有极大的应用价值。但是通过设计两种新型单元结构实现阵列天线的宽带RCS缩减，设计过程及单元结构设计较为复杂，尚缺乏对宽带对消单元设计方法的详细研究。

针对上述问题，本文理论研究了基于两种散射性能不同的单元组成阵列的RCS性能，分析了单元的散射幅度和相位对阵列RCS的影响，研究了影响单元相位曲线的因素。为了实现天线的宽带辐射和宽带RCS缩减，本文提出并设计了一种新型的天线单元结构，该结构的辐射性能与散射性能能够进行独立调控和综合优化。通过在辐射贴片边缘加载T型缝隙结构改变散射电流路径，实现对散射相位的有效调控。该T型缝隙与传统微带贴片单元的散射性能可在宽频带内产生有效相位差，为阵列天线宽带RCS缩减奠定基础。将该新型单元与传统微带天线单元组成4 × 4阵列天线，当入射波极化与天线工作极化正交时，两种天线单元的散射场反相而相互抵消；而当入射波极化与天线极化相同时，利用天线阻抗匹配对入射波的吸收可实现RCS缩减，最终实现了高效率辐射和宽频带双极化RCS缩减。

1 散射对消理论分析

本文首先研究了由两种散射性能不同的单元组成的阵列天线的散射性能，典型阵列结构如图1所示。

图1 由两种单元组成的阵列天线结构示意图

本文首先研究由两种散射性能不同的单元组成的阵列天线的散射性能，典型的阵列天线结构如图1所示。平面波照射下，两种天线单元的电场反射幅度分别为A1和A2，电场反射相位分别为φ1和φ2，则两种单元组成的阵列天线的总反射场可以写为：

ES=A1ejφ1F1+A2ejφ2F2

(1)

式中，ES代表阵列天线的总散射场，F1和F2分别是两个子阵的散射阵因子，表达式如下：

F1=ej(kx+ky)d/2+e-j(kx+ky)d/2

(2)

F2=ej(kx-ky)d/2+e-j(kx-ky)d/2

(3)

其中：x和y代表阵元位置，可写为：

x=sinθcosφ

(4)

y=sinθcosφ

(5)

式中，θ和φ为入射波分别与水平面与垂直面的夹角，k=2π/λ，d为单元间距。

当电磁波垂直入射时，θ和φ均为0°，此时F1和F2的值为2，则式(1)可简化为：

ES=2(A1ejφ1+A2ejφ2)

(6)

参考阵列天线由相同结构的单元组成，即所有单元的反射电场辐射和相位相同，各单元的反射幅度满足A=A1=A2，反射相位满足φ1=φ2，则参考阵列天线的总散射场E0可写为：

E0=4Aejφ1

(7)

与传统微带阵列天线相比，对于由两种不同单元组成的同规模阵列天线，其RCS缩减量要到达βdB，需要满足以下条件：

10×log(|ES|2/|E0|2)=-β

(8)

当两种单元的反射幅度不同时，设反射幅度比为γ=A1/A2，将式(6)、(7)代入式(8)中，得到任意幅度比和相位差情况下，RCS缩减量要高于βdB的条件为：

|ejφ1+ejφ2|2=1+γ2+2γcos(φ2-φ1)≤4×10-β/10

(9)

如果要求RCS缩减量要到达10 dB(β=10)，可得：

|ejφ1+ejφ2|2=1+γ2+2γcos(φ2-φ1)≤0.4

(10)

下面给出两种特殊情况的分析：

1)当两种单元反射幅度相同，即A=A1=A2，可得两种单元的相位差满足：

140°≤|φ1-φ2|≤217°

(11)

即当两单元的反射相位差在143～217°之间时，RCS缩减量高于10 dB，该相位差称为有效相位差。

2)当两种单元反射相位相反(即相位差为180°)，即φ1=φ2+π，可得两单元的幅度比满足：

γ=A1/A2≥0.37

(12)

即当两单元的反射幅度比大于0.37，即反射幅度差小于4.32 dB时，RCS缩减量高于10 dB，该幅度比称为有效幅度比。

综上分析可知，对于天线同极化的带外RCS缩减和交叉极化RCS缩减，两种单元的反射幅度基本相同，因此，决定阵列天线RCS缩减带宽的主要是两个单元散射的有效相位差带宽。

2 宽带有效相位差的天线单元设计

2.1 新型修形单元结构设计

随着现代通讯事业迅速发展，C波段微带天线在雷达、广播、导航、卫星及无线通信等领域应用的优势愈发明显，本文在基于有限元法的商用电磁仿真软件中建模并设计了工作在C波段的微带天线，以C波段阵列天线为例开展阵列天线RCS缩减技术研究。为了实现阵列天线的散射对消，通常需设计两种结构不同的天线单元。为了提高设计效率，本文研究通过设计一种新型单元，使其与传统微带单元的散射形成宽带有效相位差，实现阵列天线的宽带、双极化RCS缩减。

通过对辐射贴片边缘修形可以调控散射电流路径，从而实现对散射相位的调控。以矩形微带贴片为例，如图2(a)所示，对于y极化平面波照射情况下的RCS缩减，可在辐射贴片平行于y轴的边缘进行修形，例如加载矩形槽、边缘弧形槽，如图2(a)所示。以边缘加载矩形槽、边缘弧形槽的天线单元结构为例，本文研究了不同修形结构的散射相位性能，分析其在宽带范围内的相位曲线特点。传统微带贴片天线单元与矩形槽、边缘弧形槽的天线单元的散射相位随频率的变化曲线如图2(b)所示，从图中的反射相位仿真可以看出，传统微带天线(称为单元A)的相位随频率呈非线性变化，而加载矩形槽、边缘弧形槽的两种修形单元的反射相位在高频处呈线性变化，仅在3.4～4.3 GHz频段内与传统微带天线单元的反射相位满足180°±37°的有效相位差。通过理论分析可知，这两种结构难以实现宽频带散射对消。

为了使修形单元与传统微带贴片单元间形成宽带有效相位差，本文提出在辐射贴片上加载T型缝隙(称为单元B)，在y极化平面波照射下，T型缝隙可增加散射电流的等效电长度，使得y极化波的反射相位向低频移动，且两种单元的相位曲线变化曲率基本一致，如图2(b)所示。因此，单元B与单元A之间可以形成宽带有效相位差，从而使得组阵后的阵列天线可以实现宽频带RCS缩减。

图2 四种贴片修形微带天线单元

为了进一步说明T形缝隙对散射电流的调控机理，使用主从边界条件和Floquet端口激励对单元A和单元B辐射贴片上所激励出的散射电流进行仿真分析，频率4 GHz的y极化平面波垂直照射的情况下的散射电流分布仿真结果如图3所示。从图中可以看出，单元B辐射贴片上的电流路径比单元A辐射贴片上的电流路径长，因此，单元B的散射谐振频率会向低频移动，从而与单元A之间产生相位差。通过调节T型缝隙的长度可实现对单元B的y极化散射相位的调控，同时通过优化馈电点位置、馈电贴片长度和地板上的缝隙尺寸，使得单元A与单元B工作在相同频段的同时，实现宽频段有效反射相位差。

图3 单元A和单元B辐射贴片表面的散射电流分布

为了实现阵列天线的宽带辐射和宽带双极化RCS缩减的一体化设计，本文提出在辐射贴片上加载T形缝隙结构，并通过耦合馈电方式实现对天线单元辐射性能和散射性能的独立调控，单元A和单元B的结构如图4所示。单元A和单元B的天线结构相似，均由三层结构组成。下层为金属地板结构，金属地上刻蚀有矩形长缝隙；中层介质板采用聚四氟乙烯(介电系数为2.2，介质损耗为0.009)，长方形金属贴片与SMA馈电结构连接，通过L型探针对上层贴片进行耦合馈电；单元A上层为矩形贴片，单元B上层贴片上加载T型缝隙。

图4 天线单元A和单元B结构示意图

图5 主要结构参数对单元天线辐射与散射性能的影响分析

为了分析单元B的结构参数对其辐射和散射性能的影响，在单元B加载50 Ω匹配负载情况下，使用主从边界条件和Floquet端口激励对两种单元的反射特性进行仿真计算。通过全波仿真分析计算了T形缝隙长度wda、馈电贴片长度lma、馈电位置da、地板缝隙长度lsa等主要参数对阻抗匹配性能和y极化平面波反射性能的影响，结果如图5所示，图中给出了S11和反射相位随参数的变化曲线。从图5(a)中可以看出，随着T形缝隙长度wda的增加，辐射谐振频点逐渐向低频轻微移动，反射相位向低频发生明显偏移。从图5(b)中可以看出，馈电贴片长度lma的改变对反射相位影响很小，同时随着lma的增加，谐振频率没有变化，阻抗匹配程度变得更好。从图5(c)中可以看出，馈电位置da的改变对反射相位影响很小，同时随着da的增加，驻波频点逐渐向高频移动。从图5(d)中可以看出，地板缝隙长度lsa的改变对反射相位影响很小，随着地板缝隙长度lsa的增加，驻波频点逐渐向低频移动。通过对以上参数分析可知，辐射贴片上的T型缝隙结构既影响其辐射性能也影响其散射性能，金属地板上的矩形长缝隙以及L型馈电结构主要用于调控单元的阻抗匹配特性，对散射幅度和相位影响基本可忽略。经过上述分析可知，T型缝隙大小是影响天线反射特性的关键参数，馈电结构与地板开槽长度参数是影响天线辐射特性的关键参数。因此，本文提出的单元结构可实现对辐射性能和散射性能的独立调控，可通过优化T形缝隙尺寸，使得单元B和单元A在交叉极化入射平面波照射下的反射相位相差180°，并通过对两单元馈电结构及地板开槽长度进行优化，使单元A和单元B两单元的工作频段重合。

2.2 宽带散射对消单元的辐射性能和散射性能分析

通过上述分析可知，首先通过对T型缝隙的尺寸优化，可实现宽频段范围内的有效反射相位差。在保证散射性能的宽带有效相位差基础上，通过优化金属地板上的矩形长缝隙和L型馈电结构的尺寸实现对辐射性能的调控，使得单元B与单元A的谐振频段重合，因此，本文的天线结构可实现辐射性能和散射性能的单独调控以及综合优化。通过优化得到两种天线单元的详细结构尺寸，尺寸参数如表1所示。

表1 天线主要尺寸参数

经过优化设计，单元A和单元B的驻波(S11)及辐射方向图仿真结果如图6所示。两种天线单元的谐振频率均约为4 GHz，在3.38～4.46 GHz(相对带宽27.6%)频段内，单元A的S11小于-10 dB；在3.64～4.18 GHz(相对带宽13.8%)频段内，单元B的S11小于-10 dB，两种天线单元的共同工作带宽为3.64～4.18 GHz，相对带宽为13.8%。图6(b)给出了两种天线单元在谐振点4 GHz的辐射方向图，两种天线单元的xoz面辐射方向图和yoz面辐射方向图基本一致，因此，在阵列天线辐射时可将两种单元看作相同阵元。

图6 单元A和单元B的辐射性能仿真结果

在周期性边界条件下计算了两种单元对垂直入射平面波的反射性能，结果如图7所示。x极化平面波垂直照射情况下，在天线工作频段及其附近频段，由于天线的阻抗和极化匹配，入射波部分能量被天线元件吸收，所以其反射幅度较小，如图7(a)所示。y极化平面波垂直照射情况下，两种单元反射幅度基本相同，在3.5 Hz～7 GHz范围内产生有效反射相位差(180°±37°)，如图7(b)所示，为组阵后阵列天线 RCS 缩减奠定基础。

图7 单元A和单元B的散射性能仿真结果

为了快速分析单元A和单元B组成阵列天线的散射性能，将两种单元的反射特性(反射幅度与反射相位)代入式(9)，计算得到两种单元组成的阵列天线的RCS理论缩减值，RCS缩减值计算结果如图8所示。从计算结果可以看出，对于y极化平面波，阵列天线在3～7 GHz频段内实现了宽带RCS缩减，这来源于两种单元的宽带散射对消；在3.8 GHz与6.3 GHz频点处，由于两种单元的反射相位差为180°，因此，在这两个频点产生RCS缩减极大值点。对于x极化平面波，在天线工作频内，由于天线阻抗匹配，入射波部分能量被天线吸收，因此其RCS缩减主要来源于对入射电磁波的吸收；在4.2 GHz与5.6 GHz频点单元A与单元B的反射相位差约为180°，因此在这两个频点附近，出现了RCS缩减的极大值点。

图8 阵列天线RCS缩减理论值计算结果

3 宽带双极化低散射微带阵列天线设计

3.1 基于两种散射对消单元的阵列布阵设计

将单元A和单元B组成4×4阵列天线，在阵列规模有限的情况下，阵中单元并于处于严格的周期性环境，阵中单元A和单元B的散射性能会发生变化，因此，阵列天线的RCS与理论RCS存在一定的差距。本节通过研究不同组阵形式对阵列天线RCS的影响，设计出适合本文天线单元的组阵形式。

规模为4×4阵列的典型组阵形式有AABB、ABAB、BAAB、棋盘结构等，如图9所示。阵列1在x轴方向上由结构相同的天线单元组成，在y轴方向上天线单元A与天线单元B以AABB的方式排布；阵列2在x轴方向上由结构相同的天线单元组成，在y轴方向上天线单元A与天线单元B以BABA的方式排布；阵列3在x轴方向上由结构相同的天线单元组成，在y轴方向上天线单元A与天线单元B以BAAB的方式排布；阵列4中的天线单元A与天线单元B以棋盘布阵的组合方式排布。

图9 不同组阵形式的阵列天线结构示意图

分别对组阵形式为AABB、ABAB、BAAB、棋盘结构的阵列天线的RCS进行仿真计算，结果如图10所示。图中给出了3～7 GHz频段内，不同组阵形式的阵列天线的y极化RCS以及相同尺寸的金属板的y极化RCS。从图中可以看出，与金属板相比，四种组阵形式的阵列天线均实现了宽带RCS缩减，但是组阵形式对4×4阵列天线的RCS影响明显。组阵形式为AABB、ABAB、BAAB、棋盘结构的阵列天线在在3～7 GHz频段内的RCS缩减均值分别为7.3 dB、5.9 dB、7.7 dB、6.8 dB，其中组阵形式为BAAB的阵列天线 RCS缩减均值最大，且在天线工作频段内的RCS缩减值最大，因此本文阵列天线采用BAAB的组阵形式。

图10 不同组阵形式阵列天线的y极化RCS仿真结果

3.2 宽带双极化低散射微带阵列天线散射性能和辐射性能分析

当入射平面电磁波垂直照射到设计阵列天线时，分别计算了x极化和y极化电磁波的RCS，单站RCS仿真结果如图11所示，图中分别给出了设计阵列天线和相同尺寸金属板的单站RCS。从图中可以看出，当x极化平面波照射时，设计阵列天线的RCS减缩带宽为3～7 GHz，平均RCS缩减值为6.6 dB，在4.1 GHz频点处达到最大RCS减缩，缩减值为16.3 dB；在工作频带(3.64～4.18 GHz)内RCS平均缩减值为14.1 dB。x极化平面波下的阵列天线的带内RCS缩减主要来源于两种天线单元对电磁波的吸收作用，带外RCS缩减主要来源于两种天线单元的吸收作用，同时在5.6 GHz频点，两种单元反射相位差为180°，因此无源散射对消对带外RCS缩减也产生了一定作用。当y极化平面波照射时，在3.3～7 GHz频段实现了RCS减缩，平均RCS减缩值为7.7 dB，在4.15 GHz频点处达到最大RCS缩减，缩减值高达36.3 dB；在工作频带(3.64～4.18 GHz)内RCS平均缩减值高达17.6 dB；阵列天线对y极化平面波的RCS缩减来源于两种单元形成的无源散射对消。

结合公式推导及阵列天线的全波仿真结果可以看出，基于散射对消技术的阵列天线要实现宽带RCS缩减，在相应带宽内需要产生多个RCS缩减极值点，即通过多个散射对消谐振的方法可实现阵列天线宽频带RCS缩减。同时，要实现阵列天线宽带双极化RCS缩减，对于天线的交叉极化RCS缩减，需要两种单元产生宽带有效散射相位差；对于同极化RCS缩减，在天线吸波作用的基础上，两种单元还要在带外具有有效相位差，通过吸波和散射对消两种措施实现同极化电磁波的宽带RCS缩减。

为了直观地说明散射对消方法降低阵列天线RCS的机理，图12给出了在y极化平面波垂直入射时4 GHz频点的三维散射方向图。从图中可以看出，金属地板呈强镜面反射，其散射方向图在垂直方向呈最大值。设计阵列天线的散射方向图呈中心凹陷的形态，即在垂直入射方向的RCS值较小，散射峰值集中在低仰角角域。这是由于阵列天线中的不同单元对y极化电磁波波的散射相位差180°，使得设计阵列天线产生了散射对消，散射峰值被转移至非探测角域，使得阵列天线的单站RCS实现了有效减缩。

图12 金属板和设计阵列的三维散射方向图仿真结果

将设计阵列天线中的16个天线单元进行等幅同相馈电，阵列天线的辐射方向图仿真结果如图13所示。从图中可以看出，设计阵列天线与参考阵列天线的辐射方向图基本一致，增益下降小于0.1 dB。

图13 设计阵列天线和参考阵列天线的辐射方向图仿真结果

综上分析可知，本文设计的阵列天线具有较好的辐射和散射性能。将本文设计阵列天线的辐射性能和散射性能与其他文献中的低散射微带阵列天线进行了对比，如表2所示。从表中可以看出，本文所设计的阵列天线在保持宽带辐射(相对带宽14.6%)的前提下，实现了交叉极化在71.8%带宽内的RCS缩减和同极化在80%带宽内的RCS缩减，双极化RCS缩减带宽优于其他论文结果；特别是RCS缩减6 dB 的带宽相较其他论文有了明显扩宽；工作频带内的RCS缩减均值也得到了一定的提升。本文提出的低散射阵列天线采用一种新型天线单元即实现了宽带低RCS缩减，与其他论文的设计相比，其辐射的工作带宽较宽，双极化RCS缩减带宽较宽，为低散射阵列天线设计提供了新的思路。

表2 本文设计的低散射微带阵列天线与文献[20-23]中设计阵列天线性能对比表

4 结束语

本文理论研究了由两种散射性能不同单元组成的阵列天线的散射性能，研究了影响RCS缩减带宽的因素；提出一种新型单元结构，可实现对微带天线的辐射性能与散射性能的独立调控；提出在辐射贴片上加载T形缝隙，通过对一种单元修形即在宽频段内实现散射的有效相位差；将T形缝隙单元和参考单元组成4×4阵列天线，研究了不同组阵形式对阵列RCS的影响。设计阵列天线在3.64～4.18 GHz(相对带宽13.8%)频段内具有良好的辐射性能，与参考天线相比，增益下降小于0.1 dB。在3.3～7 GHz (相对带宽71.8%)频段内实现了交叉极化RCS缩减，在3～7 GHz (相对带宽80%)频段内实现了同极化RCS缩减。

综上，本文清晰给出了散射对消阵列的设计过程，设计的新型微带阵列天线兼具宽带辐射性能和宽带双极化低RCS的优点，对低 RCS 阵列天线的设计有一定的借鉴意义，对微带阵列天线在低可探测平台的应用有一定的意义。本文工作仍有进步空间，通过对参考天线进行修形设计还可进一步提高阵列天线的RCS缩减带宽和RCS缩减量值。