熊 波，李湉雨

（海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001）

當(dāng)電磁波照射到天線上時，天線的雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）由2部分構(gòu)成：天線結(jié)構(gòu)項散射和天線模式項散射。結(jié)構(gòu)項散射是指在匹配狀態(tài)下，天線接收到的電磁波功率只有一半進(jìn)入到接收機，其余均被散射掉；如果天線阻抗不匹配，進(jìn)入接收機的功率會有一部分被反射回來，這就是天線的模式項散射。天線模式項散射一般與天線的增益、極化狀態(tài)和饋源匹配狀況有關(guān)。在天線的主瓣方向上，天線RCS 主要由模式項散射產(chǎn)生；在天線的副瓣方向上，天線RCS主要由結(jié)構(gòu)項散射產(chǎn)生。深入研究和精確分析天線的電磁散射特性對于控制和縮減天線RCS具有重要意義。

大部分文獻(xiàn)采用天線方向圖和天線反射系數(shù)的結(jié)合對模式項散射進(jìn)行近似計算。近似算法認(rèn)為天線的二次散射和負(fù)載消耗的功率之和是不變的，因此，二次散射的大小可以根據(jù)天線反射系數(shù)進(jìn)行計算。事實上，由于在不同的阻抗匹配條件下，天線上消耗的功率不同，因此，二次散射功率和負(fù)載消耗的功率之和也是變化的，近似算法會產(chǎn)生一定的誤差。

本文提出采用CST-MATLAB 聯(lián)合仿真的方法對天線的模式項進(jìn)行求解。首先，通過CST電磁場仿真軟件計算得到天線在阻抗匹配和阻抗失配條件下的電場強度和RCS；再通過后處理將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB，計算得到天線的模式項散射。

1 天線模式項散射

天線在電磁波的照射下，其散射場由2 部分組成：

式（3）中：為單位立體角內(nèi)反射的電磁波功率；S為入射的平面波功率密度。

通過電磁場仿真軟件可以很容易求出天線的電場和RCS，根據(jù)定義即可求出模式項RCS。假設(shè)球坐標(biāo)系下，天線散射的電場分解為a、a方向，在阻抗匹配狀態(tài)下測得某個位置的電場為ea+Eea。對于a方向極化的電磁波，其RCS 為；對于a方向極化的電磁波，其RCS 為。同樣，天線在阻抗不匹配狀態(tài)下測得該位置的電場為ea+Eea。

模式項RCS的極化分量可求解如下：

總的模式項RCS為：

2 計算機仿真

設(shè)計1～6 GHz 頻率范圍的寬帶Vivaldi天線模型，如圖1所示。

圖1 Vivaldi天線模型Fig.1 Model of the Vivaldi antenna

天線反射系數(shù)，如圖2所示。

圖2 天線反射系數(shù)Fig.2 Antenna reflection coefficient

從天線參數(shù)可以看出，該天線在1～6 GHz 范圍內(nèi)阻抗匹配良好。在3 GHz 頻點，=-25 dB，匹配情況非常好，因此，選擇3 GHz 進(jìn)行分析。

天線方向圖，如圖3所示。

圖3 天線方向圖Fig.3 Direction diagram of the antenna

在阻抗匹配狀態(tài)下，采用極化匹配的平面波進(jìn)行照射，仿真得到天線結(jié)構(gòu)項散射，如圖4所示。

從圖4可看出，天線RCS最大約為0.25 m。天線散射主要為前向散射，后向散射非常小，這也是Vivaldi天線可以作為隱身天線的原因。

圖4 3 GHz 的天線結(jié)構(gòu)項RCSFig.4 Structural RCS of the antenna at 3 GHz frequency

天線在1 m 距離上的電場分布，如圖5所示。

圖5 天線電場分布Fig.5 Electric field distribution of the antenna

天線在開路狀態(tài)下仿真得到天線RCS，如圖6 所示。

圖6 開路狀態(tài)下天線RCSFig.6 RCS of the antenna in the open circuit

可以看出，在開路狀態(tài)下，天線具有非常大的后向散射，這正是由天線的二次輻射造成的。

天線在1 m 距離上的電場分布，如圖7所示。

圖7 開路狀態(tài)下天線電場分布Fig.7 Electrical field distribution of the antenna in the open circuit

將仿真數(shù)據(jù)通過后處理導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行處理，得到開路狀態(tài)下天線模式項RCS，如圖8所示。

圖8 天線端口開路狀態(tài)下的模式項RCSFig.8 Mode RCS of the antenna in the open circuit

從圖8 可以看出，天線模式項散射主要以后向散射為主，最大為0.085 m。對比圖3、圖8可以發(fā)現(xiàn)，天線模式項散射與天線方向圖非常吻合。

在天線阻抗不完全匹配的情況下，端口為-6 dB，模式項RCS，如圖9所示。

圖9 天線端口不完全匹配狀態(tài)下的天線模式項RCSFig.9 Mode RCS of the antenna in mismatch state

對比圖8、圖9 可以看出，天線模式項散射的分布非常相似，但是數(shù)值不同。不完全匹配狀態(tài)下的模式項RCS 最大值為0.025 m，開路狀態(tài)下的模式項RCS最大值為0.085 m，可計算得到反射系數(shù)-5.3 dB，與端口的參數(shù)-6 dB 比較，略有差異。其根本原因是由于在不同的阻抗條件下，天線的二次輻射并不相同，若按照近似算法進(jìn)行計算，就會產(chǎn)生一定的誤差。

3 結(jié)論

本文通過CST-MATLAB 聯(lián)合仿真的方法求解出Vivaldi 天線在開路狀態(tài)和不完全匹配狀態(tài)下的模式項RCS，結(jié)果與天線方向圖非常吻合，符合天線模式項散射的物理意義，證明本文的方法是正確的。通過對不完全匹配狀態(tài)下的模式項RCS 與開路狀態(tài)下的模式項RCS的比較，指出了近似算法存在誤差的原因是由于在不同的阻抗條件下，天線的二次輻射并不相同，而采用本文的方法能得到精確的計算結(jié)果，因此，該方法可以在天線散射特性分析、天線隱身設(shè)計等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。