姜 文 龔書喜 洪 濤 劉 英

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071)

1.引 言

為適應(yīng)未來(lái)的高科技綜合電子戰(zhàn),隱身技術(shù)得到了大量的應(yīng)用,因此世界上越來(lái)越多的國(guó)家重視和發(fā)展隱身技術(shù)。但是對(duì)于低可見平臺(tái)來(lái)說(shuō),對(duì)其總雷達(dá)截面(RCS)貢獻(xiàn)較大的卻是平臺(tái)上的天線,由于天線系統(tǒng)自身工作特點(diǎn)的限制,它必須保證自身雷達(dá)波的正常接收和發(fā)射,因此常規(guī)的隱身措施(如低RCS外形設(shè)計(jì)、雷達(dá)吸波材料技術(shù)等)不可簡(jiǎn)單地應(yīng)用于天線隱身中,這就使天線系統(tǒng)隱身成為隱身技術(shù)中難以解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)具有較高的距離分辨率和寬的頻譜,具有精確的目標(biāo)識(shí)別能力,能獲得復(fù)雜目標(biāo)的細(xì)微特征,在反隱身、反導(dǎo)以及目標(biāo)識(shí)別等方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。但是,為了提高超寬帶雷達(dá)的戰(zhàn)場(chǎng)生存率,就必須對(duì)其進(jìn)行隱身處理。因此,對(duì)超寬帶天線散射特性的研究,以及在保證輻射特性的同時(shí)減縮超寬帶天線的RCS具有重要意義。

2.理論分析

天線是一類特殊的散射體,它的散射通常包括兩部分:一部分是與散射天線負(fù)載情況無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射場(chǎng),它是天線饋電線接匹配負(fù)載時(shí)的散射場(chǎng),其散射機(jī)理與普通散射體的散射機(jī)理相同;另一部分則是隨天線的負(fù)載情況變化的天線模式項(xiàng)散射場(chǎng),它是由于傳輸線與接收機(jī)和天線不匹配而反射的功率經(jīng)天線再輻射而產(chǎn)生的散射場(chǎng),這是天線作為一個(gè)加載散射體而特有的散射場(chǎng)[1-6]。在天線的散射理論研究方面,利用散射矩陣可推導(dǎo)出天線散射的基本表達(dá)式。文獻(xiàn)[7]提出了一個(gè)分析天線散射的模型,利用該模型可分別得到天線散射的兩個(gè)分量,解決了天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)與天線模式項(xiàng)之間相位差難以確定的問(wèn)題。利用該模型即可求解各種天線的RCS特性,該模型的結(jié)論公式如下所示

式中第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射場(chǎng),第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)天線模式項(xiàng)散射場(chǎng),其中:Es(Zl)指接收機(jī)端接任意負(fù)載時(shí)的天線散射電場(chǎng);Es(∞)指接收機(jī)端接開路負(fù)載時(shí)的天線散射電場(chǎng);Es(0)指接收機(jī)端接短路負(fù)載時(shí)的天線散射電場(chǎng);Γl指接收機(jī)負(fù)載反射系數(shù),Γa指天線反射系數(shù)。

文獻(xiàn)[8]中提出了一種用共面波導(dǎo)方式饋電的平面單極子天線,該天線具有良好的阻抗帶寬特性和輻射方向圖特性,但是此天線,由于其輻射單元和輻射地板的金屬覆蓋面積占天線總表面積的比例大,所以總雷達(dá)截面很大。對(duì)此天線做適當(dāng)?shù)男薷?并將其作為參考天線,天線的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(a)所示。為了實(shí)現(xiàn)天線低雷達(dá)截面特性,必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

利用Ansoft HFSS仿真軟件計(jì)算出天線工作時(shí)輻射單元上電流的分布,根據(jù)電流分布,我們對(duì)天線的輻射單元和輻射地板做適當(dāng)?shù)淖冃?以達(dá)到既能降低天線的金屬覆蓋面積又不影響天線的輻射性能的目的。變形后天線結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(b)所示,輻射單元和輻射地板印制在介質(zhì)板的同一側(cè),采用特性阻抗為50Ω的共面波導(dǎo)饋電,共面波導(dǎo)帶線寬度為0.8 mm,縫隙寬度為0.2 mm。兩個(gè)四分之一圓的半徑為5.6 mm,中間大圓的半徑為7 mm,下面兩個(gè)小圓的半徑為2 mm。參考天線和設(shè)計(jì)天線均印制在厚度為0.8 mm,介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)板上。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2給出了兩天線VSWR的仿真結(jié)果,結(jié)果表明兩天線同樣具有VSWR＜2.0條件下2.5～20 GHz的超寬阻抗帶寬特性。圖3為設(shè)計(jì)天線VSWR仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果,仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好,證明了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性,略有差異的主要原因是天線樣機(jī)加工精度和實(shí)際測(cè)量環(huán)境。

圖4～6給出了參考天線(左)和設(shè)計(jì)天線(右)工作在3 GHz、8 GHz、10 GHz頻率下,y-z面和x-y面的增益方向圖(單位:d Bi)。從圖中可看出設(shè)計(jì)天線與參考天線相比,具有相似的良好的超寬帶方向圖特性。

圖7給出了參考天線與設(shè)計(jì)天線在2.0 GHz～20.0 GHz入射波照射下單站的天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)RCS。從圖中可以看出,設(shè)計(jì)天線在此頻帶范圍內(nèi)的天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)RCS均小于參考天線,說(shuō)明設(shè)計(jì)天線具有良好的RCS減縮效果。單站RCS均是基于入射和接收電場(chǎng)的極化方式為垂直極化(平行于x軸),入射方向?yàn)?z方向,散射方向?yàn)閦方向的條件。

圖8給出了設(shè)計(jì)天線終端接不同負(fù)載(開路負(fù)載、短路負(fù)載)時(shí),在2～20 GHz入射波照射下的單站天線RCS。利用這兩個(gè)模式的RCS可容易地計(jì)算出任意負(fù)載下的天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)RCS、天線模式項(xiàng)RCS和天線總RCS。從計(jì)算結(jié)果中可以看出,天線端接不同負(fù)載時(shí)的兩條RCS曲線,在整個(gè)超寬帶頻帶范圍內(nèi),沒有哪一條可以一直保持最大或最小,這點(diǎn)與普通的窄帶天線不同。這種現(xiàn)象的主要原因是:與普通天線相比,超寬帶天線具有很寬的工作頻帶,天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射場(chǎng)和天線模式項(xiàng)散射場(chǎng)之間相位差的動(dòng)態(tài)變化很大。這種現(xiàn)象使得對(duì)超寬帶天線的RCS控制變得更加困難,超寬帶天線的RCS減縮技術(shù)應(yīng)側(cè)重于天線結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)RCS減縮。

圖8 天線端接不同負(fù)載的RCS曲線

4.結(jié) 論

基于一種參考天線,設(shè)計(jì)了一種新型的低RCS超寬帶微帶貼片天線。該天線由輻射單元和輻射地板組成,以共面波導(dǎo)方式饋電,具有從2.5～20 GHz的超寬阻抗帶寬和良好的方向圖特性。與參考天線相比,設(shè)計(jì)天線具有更低的雷達(dá)截面,利于天線系統(tǒng)的隱身。最后以設(shè)計(jì)天線為例,分析了超寬帶微帶天線的散射特性,該研究將有助于深入理解超寬帶天線的散射機(jī)理,為超寬帶天線雷達(dá)截面減縮技術(shù)打下了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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