蒙皮天線的淺介質(zhì)腔體散射特性分析*

任志剛

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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蒙皮天線的淺介質(zhì)腔體散射特性分析*

任志剛**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

隨著隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，天線雷達(dá)散射截面(RCS)的縮減成為實(shí)現(xiàn)低散射平臺電磁隱身特性的關(guān)鍵。蒙皮天線是天線RCS縮減的重要技術(shù)方向，而腔體散射又是蒙皮天線難以避開的問題，因此，介質(zhì)淺腔的RCS縮減是實(shí)現(xiàn)低RCS天線的重要保障。通過仿真軟件FEKO對淺腔、介質(zhì)及介質(zhì)淺腔的散射特性進(jìn)行研究，得到了介質(zhì)淺腔散射隨介質(zhì)淺腔深度呈現(xiàn)單調(diào)變化的條件，給出了一種具有低RCS值的菱形介質(zhì)淺腔設(shè)計方法。該方法利用天線電性能及介質(zhì)淺腔隱身性能對介質(zhì)板厚度呈現(xiàn)單調(diào)變化的特性，在滿足天線駐波比要求的基礎(chǔ)上，通過盡量減薄介質(zhì)基板的厚度實(shí)現(xiàn)介質(zhì)淺腔RCS的縮減。實(shí)測結(jié)果表明，通過上述方法設(shè)計的介質(zhì)淺腔的RCS得到了接近10 dB的縮減效果。

隱身技術(shù)；蒙皮天線；淺介質(zhì)腔體;腔體散射;雷達(dá)散射截面縮減

1　引　言

21世紀(jì)隱身技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，世界各國都極其重視隱身武器研究和應(yīng)用[1-3]。隨著頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)結(jié)構(gòu)、吸波材料等隱身新技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用，飛行器等隱身目標(biāo)自身的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section Reduction,RCS)已經(jīng)非常小，其RCS主要貢獻(xiàn)來源于飛行器、艦艇等武器平臺自身上的天線系統(tǒng)[4-6]。

天線的散射較為復(fù)雜，因其不但具有一般散射體的鏡面反射、邊緣繞射等結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射，還有天線作為接收裝置截獲空間入射電磁波能量并將其二次輻射出去而引起的模式項(xiàng)散射。

隨著天線技術(shù)的發(fā)展，蒙皮天線[4]系統(tǒng)以其小型化、綜合化、智能化等特點(diǎn)，受到了越來越多的重視。但是，無論天線技術(shù)如何發(fā)展，在現(xiàn)行功能體制下，即便是蒙皮天線仍然難以避開天線內(nèi)嵌安裝形成的介質(zhì)淺腔的散射問題。

天線RCS縮減一般從天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射、天線模式項(xiàng)散射及天線陣列散射三個方面進(jìn)行[1,3]。但是，對于天線介質(zhì)淺腔的散射問題鮮有學(xué)者對其進(jìn)行討論。由于介質(zhì)淺腔散射特性對天線RCS縮減的重要性，對介質(zhì)淺腔散射特性的分析，并根據(jù)介質(zhì)淺腔的散射特性提出相應(yīng)的RCS縮減方法就顯得尤為重要。

本文利用仿真軟件FEKO和低RCS載體研究了介質(zhì)淺腔的散射，針對主要考察威脅角度內(nèi)(方位角-40°～+40°，俯仰角90°)單站RCS算術(shù)平均值，分析了介質(zhì)淺腔RCS的變化情況，最后提出了一種具有低RCS值的菱形介質(zhì)淺腔的設(shè)計方法。

2　分析方法

高頻方法由于方法自身的限制難以精確分析介質(zhì)淺腔散射，基于矩量法(Method of Moment，MoM)的FEKO電磁結(jié)構(gòu)仿真軟件，適用于計算介質(zhì)淺腔的RCS。本文采用FEKO V6.0計算介質(zhì)淺腔的RCS值。為了保證天線裝配及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不受較大影響，通過對矩形介質(zhì)淺腔的物理參數(shù)的優(yōu)化減縮其RCS值，使其滿足低RCS天線設(shè)計要求。

在淺介質(zhì)腔RCS縮減研究中，筆者使用了低RCS載體對目標(biāo)RCS進(jìn)行仿真驗(yàn)證，首先選取工程實(shí)例中使用的介質(zhì)淺腔刻蝕在低RCS載體上(低RCS載體在一定角度內(nèi)具有極低的RCS值)，如圖1所示，這樣可以模擬該腔體在低RCS天線結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)，并且避開天線其他部件的影響，隔離出介質(zhì)淺腔的RCS值。類似的方法在文獻(xiàn)[7]中用來分析飛機(jī)表面的弱散射源對飛機(jī)散射的貢獻(xiàn)。

圖1　載體與載體上介質(zhì)淺腔示意圖

通過對比分析帶金屬淺腔的載體、帶介質(zhì)的載體和帶介質(zhì)淺腔的載體的RCS值及其散射特性，最后得到介質(zhì)淺腔散射規(guī)律，并給出具有極低RCS值的介質(zhì)淺腔設(shè)計方法。圖2給出了載體、普通介質(zhì)淺腔及RCS控制后的介質(zhì)淺腔3種情況下RCS值對比。

圖2　載體與載體上介質(zhì)淺腔RCS仿真曲線

對圖2中的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，在15 GHz時威脅角度內(nèi)RCS算術(shù)平均值為：介質(zhì)淺腔-32.52 dBsm，低散射載體為-44.4 dBsm，經(jīng)RCS控制后介質(zhì)淺腔散射為-44.32 dBsm。從數(shù)據(jù)對比可見，介質(zhì)淺腔不經(jīng)RCS控制對目標(biāo)RCS造成明顯的惡化。

3　分析過程

介質(zhì)淺腔散射特性的研究分為三個部分，首先研究無內(nèi)嵌安裝介質(zhì)基板的金屬淺腔的散射特性，然后研究薄介質(zhì)基板的散射特性，最后對介質(zhì)淺腔散射特性進(jìn)行分析，并給出具有極低RCS值的介質(zhì)淺腔設(shè)計方法及實(shí)測驗(yàn)證。

金屬淺腔、薄介質(zhì)基板與介質(zhì)淺腔的分析均在腔體尺寸一定的前提下進(jìn)行，考慮需要降低威脅角域內(nèi)目標(biāo)的RCS，介質(zhì)淺腔外形均修形為菱形，淺腔與介質(zhì)基板尺寸約為152 mm×112 mm，內(nèi)嵌介質(zhì)介電常數(shù)3，利用圓盤類低RCS載體，對金屬淺腔、薄介質(zhì)板及介質(zhì)淺腔進(jìn)行數(shù)值仿真，通過對仿真曲線及頭向±40°內(nèi)均值統(tǒng)計結(jié)果的分析，總結(jié)出介質(zhì)淺腔的散射特性。

3.1金屬淺腔的散射特性

在圓盤類低RCS載體上，針對不同深度的金屬淺腔進(jìn)行RCS仿真，圖3給出了淺腔不同深度h參照，橫坐標(biāo)為深度h的編號，對應(yīng)于h1，h2，…，縱坐標(biāo)為深度，單位為mm。

圖3　介質(zhì)板厚度對照

首先針對頻點(diǎn)15 GHz，對深度為h1的金屬淺腔進(jìn)行RCS仿真，仿真示意圖及仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)金屬淺腔示意圖

(b)金屬淺腔RCS曲線

圖4表明金屬淺腔具有較低的RCS。為了進(jìn)一步對金屬淺腔深度的影響進(jìn)行分析驗(yàn)證，對不同深度的金屬淺腔的RCS進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖5所示。

(a)金屬淺腔RCS均值

(b)腔體邊緣RCS峰值

圖5中的結(jié)果表明金屬淺腔的RCS值受金屬腔體深度影響較小，金屬淺腔邊緣法向的峰值隨著金屬腔體深度增加而變高。對金屬淺腔其他頻率進(jìn)行仿真得到基本類似的結(jié)果，即對于金屬淺腔，在其深度不超過一定極限的前提下，金屬淺腔的RCS值受腔體深度影響較小。

3.2薄介質(zhì)基板的散射特性

為分析薄介質(zhì)基板的RCS，在圓盤類低RCS載體上，針對不同厚度的薄介質(zhì)板進(jìn)行了RCS仿真，15 GHz時薄介質(zhì)板的仿真示意圖及仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)薄介質(zhì)板示意圖

(b)薄介質(zhì)板RCS

從薄介質(zhì)基板的仿真曲線上看，薄介質(zhì)基板厚度在小于某一個值的情況下，薄介質(zhì)基板RCS均值呈現(xiàn)出單調(diào)的變化趨勢。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述特性，對薄介質(zhì)板在不同頻點(diǎn)的RCS均值隨介質(zhì)板厚度變化的情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖7所示。

(a)15 GHz變化曲線

(b)10 GHz變化曲線

(c)8 GHz變化曲線

從圖6及圖7的曲線上可以看出，在薄介質(zhì)基板厚度較小的情況下，薄介質(zhì)基板RCS隨著厚度增加呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，這一趨勢受頻率影響較小，即針對不同頻率，當(dāng)介質(zhì)基板的厚度小于某未知的極限值時，薄介質(zhì)基板在考察角域內(nèi)的RCS值就會呈現(xiàn)單調(diào)變化。

3.3介質(zhì)淺腔的散射特性

將薄介質(zhì)板嵌入安裝后，便產(chǎn)生了介質(zhì)淺腔，從結(jié)構(gòu)上看介質(zhì)淺腔包含了薄介質(zhì)板及金屬淺腔兩個部分。當(dāng)外形尺寸固定后，金屬淺腔的RCS不受腔體深度的影響，故介質(zhì)淺腔的散射應(yīng)當(dāng)更多地表現(xiàn)出薄介質(zhì)板的散射特性。針對15 GHz時介質(zhì)淺腔的仿真示意圖及仿真結(jié)果如圖8所示。

(a)介質(zhì)淺腔示意圖

(b)介質(zhì)淺腔RCS

從圖8的仿真結(jié)果可知，介質(zhì)淺腔的散射與預(yù)測應(yīng)當(dāng)更多地表現(xiàn)出薄介質(zhì)板的散射特性相符合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同頻點(diǎn)時介質(zhì)淺腔的散射特性，對不同頻點(diǎn)介質(zhì)淺腔RCS隨腔體深度變化的情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖9所示。

(a)15 GHz變化曲線

(b)10 GHz變化曲線

(c)8 GHz變化曲線

從圖7及圖9的仿真結(jié)果可知，無論是薄介質(zhì)板，還是介質(zhì)淺腔，在介質(zhì)基板厚度不超過臨界值之前，目標(biāo)考察角域內(nèi)的RCS總是隨著介質(zhì)基板厚度的增加呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢。在介質(zhì)基板厚度超過臨界值后，目標(biāo)考察角域內(nèi)的RCS曲線及均值開始呈現(xiàn)出震蕩趨勢，而腔體邊緣法向的散射峰值則隨著腔體深度增加而變高。

再次回顧圖9(a)的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)介質(zhì)淺腔的深度小于某一臨界值之前，介質(zhì)淺腔的散射將隨著介質(zhì)基板的厚度增加呈現(xiàn)單調(diào)變大的趨勢。為了更清晰地描述該臨界值，重新描述如下：即存在僅與腔體物理特性相關(guān)而與頻率無關(guān)的小于1的系數(shù)a，當(dāng)介質(zhì)淺腔的深度小于a·λ(λ是電波長)時，介質(zhì)淺腔的散射將隨著介質(zhì)基板的厚度呈現(xiàn)單調(diào)變化的趨勢。

從圖9(a)的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)介質(zhì)基板厚度小于2 mm時，載體上開腔放入介質(zhì)基板，目標(biāo)考察區(qū)域內(nèi)的RCS均呈現(xiàn)單調(diào)變化。介質(zhì)基板厚度小于2 mm對應(yīng)于系數(shù)a約為0.17。

對應(yīng)于10 GHz時，應(yīng)用該系數(shù)，得到介質(zhì)基板厚度小于3 mm時，目標(biāo)考察區(qū)域內(nèi)的RCS均應(yīng)隨著介質(zhì)基板厚度增加呈現(xiàn)單調(diào)變大；介質(zhì)基板厚度超過3 mm時則出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，這與圖9(b)的仿真結(jié)果表現(xiàn)較為一致。將系數(shù)a應(yīng)用于8 GHz時，可以得到在介質(zhì)基板厚度小于3.6 mm時，目標(biāo)考察區(qū)域內(nèi)的RCS均應(yīng)隨著介質(zhì)基板厚度增加呈現(xiàn)單調(diào)變大，這與圖9(c)的仿真結(jié)果表現(xiàn)較為一致。

對介質(zhì)淺腔RCS規(guī)律進(jìn)行總結(jié)：當(dāng)介質(zhì)板尺寸、物理參數(shù)等如上給出時，可以得到在腔體深度小于a·λ時，此系數(shù)a約為0.17，介質(zhì)腔體的散射將隨著腔體深度的增加呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢。

3.4倒角對介質(zhì)淺腔RCS的影響

下面對倒角對上述菱形外形介質(zhì)淺腔RCS的影響進(jìn)行分析。選擇腔體深度1.282 mm，原介質(zhì)淺腔尺寸為152 mm×112 mm，經(jīng)倒角處理后，介質(zhì)淺腔下表面尺寸不變，上表面尺寸變?yōu)?88 mm×152 mm，對不同頻率、倒角(60°)前后介質(zhì)淺腔RCS均值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，倒角處理在低頻對介質(zhì)淺腔RCS有著較好的縮減效果，但是倒角在對介質(zhì)淺腔有著一定縮減效果的前提是采用較大的倒角，這極大地增加了介質(zhì)淺腔的尺寸。在8～10 GHz之間，倒角處理的介質(zhì)淺腔的RCS有著反復(fù)情況，即倒角并不一直對介質(zhì)淺腔的RCS有較好的縮減效果，且倒角在高頻段對介質(zhì)淺腔RCS的縮減效果一般。綜上，建議針對介質(zhì)淺腔RCS縮減時，根據(jù)介質(zhì)淺腔的RCS要求及空間尺寸限制來決定是否應(yīng)用倒角處理。

(a)倒角示意

(b)倒角前后RCS均值對比

4　低RCS介質(zhì)淺腔的設(shè)計及測試驗(yàn)證

介質(zhì)基板作為微帶天線的承載介質(zhì)，對天線駐波帶寬影響較大，隨著天線介質(zhì)基板厚度的減薄，天線駐波帶寬變窄，所以，介質(zhì)淺腔的散射控制必須與天線駐波帶寬設(shè)計相結(jié)合。

以某K頻段微帶天線為例，其駐波帶寬及腔體RCS隨介質(zhì)基板厚度變化大致有如圖11所示關(guān)系。

從圖11中可以看出，介質(zhì)淺腔的RCS縮減設(shè)計必須綜合天線駐波比帶寬要求與介質(zhì)淺腔的RCS要求，對介質(zhì)淺腔的深度進(jìn)行選擇。對于介質(zhì)淺腔RCS的縮減設(shè)計，給出如下設(shè)計步驟：

(1)首先根據(jù)天線口徑確定介質(zhì)淺腔尺寸，并根據(jù)低RCS外形修形技術(shù)，將腔體外形修形為菱形；

(2)根據(jù)介質(zhì)基板選擇確定介電常數(shù)后，對不同介質(zhì)基板厚度的天線駐波比帶寬進(jìn)行仿真，尋找滿足駐波比帶寬的最小介質(zhì)基板厚度；

(3)對介質(zhì)淺腔RCS在該外形尺寸下隨介質(zhì)淺腔厚度的變化情況進(jìn)行仿真，尋找滿足天線RCS要求的最薄腔體深度；

(4)綜合天線駐波比帶寬要求與介質(zhì)淺腔RCS要求，選擇合適的介質(zhì)淺腔深度，完成介質(zhì)淺腔的設(shè)計。

(a)駐波比帶寬

(b)15 GHz介質(zhì)淺腔RCS

按照上述方法，對某K頻段天線介質(zhì)腔體進(jìn)行低RCS控制設(shè)計，以驗(yàn)證上述方法的有效性。

該K頻段天線初始狀體考慮了天線駐波比帶寬要求，介質(zhì)板尺寸比上述仿真分析中的例子略小，介質(zhì)腔體深度較大，為了縮減天線RCS將介質(zhì)腔體外形修形為菱形。為了進(jìn)一步縮減介質(zhì)腔體的RCS，應(yīng)用介質(zhì)淺腔RCS的縮減設(shè)計方法，在滿足天線電性能駐波帶寬要求的前提下，通過控制介質(zhì)腔體的深度，對介質(zhì)腔體RCS進(jìn)行了進(jìn)一步的縮減設(shè)計。介質(zhì)腔體的厚度較縮減前減薄了約0.5 mm。

利用微波暗室在某RCS考察頻點(diǎn)f0對RCS縮減設(shè)計前后的介質(zhì)腔體RCS進(jìn)行實(shí)測，測試方位角域?yàn)?-90°～90°)，掃描步徑0.2°，暗室背景電平小于目標(biāo)電平10 dB以上，歸一化的測試結(jié)果如圖12所示。

圖12　頻點(diǎn)f0歸一化的介質(zhì)腔體RCS測試曲線

由圖12可以看出，通過介質(zhì)腔體RCS縮減設(shè)計，介質(zhì)腔體RCS得到明顯改善，較RCS縮減設(shè)計前下降了近10 dB。

5　結(jié)　論

利用本文給出的低RCS菱形介質(zhì)淺腔設(shè)計方法對某K頻段天線的介質(zhì)淺腔進(jìn)行了RCS縮減設(shè)計，實(shí)測結(jié)果表明，縮減設(shè)計后的介質(zhì)淺腔的RCS降低接近10 dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了介質(zhì)淺腔RCS在腔體深度小于a·λ時，其散射隨著腔體深度呈現(xiàn)單調(diào)變化的特性。對于更大尺寸的介質(zhì)淺腔上述特性仍然成立，但是受限于計算能力，未能對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。低RCS介質(zhì)淺腔設(shè)計方法通過對介質(zhì)淺腔厚度的控制，實(shí)現(xiàn)了RCS的縮減，該方法與現(xiàn)有的采用天線單元開槽或使用分形單元等縮減天線RCS的方法具有同等重要的作用，是現(xiàn)有天線RCS縮減方法的重要補(bǔ)充，為天線RCS縮減提供了重要保障。

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任志剛(1981—)，男，黑龍江佳木斯人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橛嬎汶姶艑W(xué)、天線設(shè)計、數(shù)值代數(shù)。

REN Zhigang was born in Jiamusi,Heilongjiang Province,in 1981. He is now an engineer with the Ph.D.degree. His research concerns computational electromagnetism,antenna design and numerical algebra.

Email:eric667@163.com

Scattering Characteristics Analysis of Dielectric Cavity of Skin Antenna

REN Zhigang

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

With the development of stealth technology,the radar cross section reduction(RCSR) of antenna is the key to realize the low scattering platform. The skin antenna is an important technique of antenna RCSR,and the cavity scattering is a problem which is hard to be avoided,the RCSR of dielectric cavity is an important guarantee for the realization of low RCS antenna. Through studing the scattering properties of cavity,dielectric and dielectric cavity by simulation software FEKO,this paper obtaines the variation law of dielectric cavity scattering with depth and presents the design method of a dielectric cavity with low RCS value. The method utilizes the characteristics that the antenna’s voltage standing wave ratio(VSWR) bandwidth and RCS of the dielectric cavity monotonously change with the height of the dielectirc,and according to VSWR bandwidth requirements of the antenna,realizes the RCSR by minimizing the dielectric substrate thickness. The experimental result proves that by using the proposed method，the RCSR of the dielectric cavity is close to 10 dB.Key words：stealth technology;skin antenna;dielectric cavity;cavity scattering;radar cross section reduction

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.009

2016-03-28；

2016-07-07Received date:2016-03-28；Revised date：2016-07-07

TN958

A

1001-893X(2016)10-1112-07

引用格式：任志剛.蒙皮天線的淺介質(zhì)腔體散射特性分析[J].電訊技術(shù)，2016,56(10):1112-1118.[REN Zhigang.Scattering characteristics analysis of dielectric cavity of skin antenna[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1112-1118.]

**通信作者：eric667@163.comCorresponding author：eric667@163.com