一種基于可重構機理的微帶天線RCS縮減技術

官正濤，何海丹，何慶強

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引 言

微帶天線以其重量輕、輪廓低、易于制造，且容易與飛行器表面共形等優點被越來越廣泛地應用于空天飛行器上，甚至在可預期的未來發展成智能蒙皮天線之一.但是，作為一種飛行器電磁波傳感系統，蒙皮微帶天線必須保證能發射和接收己方電磁波而不易被對方探測到，并盡可能少地散射對方雷達波.這是一對很難解決的矛盾.在這種條件下，僅僅依靠傳統微帶天線設計輻射性能，并輔助采用傳統的小型化，有源/無源加載，開槽、分形、結構修形，局部增加吸波材料等隱身手段已經不能實現良好的蒙皮微帶天線輻射/隱身的雙重目標［1－3］.一個蒙皮微帶天線系統要能夠在全時域/全空域/全頻域內實現低雷達散射截面(Radar Cross Section，RCS)是難以實現的.對此，采用可重構技術，通過內嵌集成開關加載陣列來實現按需實時地重構天線的時域/空域/頻域的輻射和散射特性將是主要的研究方向.這樣可以使天線動態地保持低RCS，并且在天線工作時不影響天線的輻射特性.可重構天線技術發展的關鍵依賴于微機電系統(Micro Electromechanical System，MEMS)技術的成熟.MEMS 開關具有體積小，在超寬頻帶范圍內有低導通插損，高斷開隔離度，低寄生電容等優良的射頻性能［4－6］.將MEMS 開關集成在特定結構的天線口徑中，構成準“通用”口徑，通過軟、硬件結合的方式調節開關組的工作狀態，就可以達到改變天線的電結構，影響其電流分布，并獲得不同用途天線特性的目的.微帶天線常規的RCS 縮減可以采用在微帶貼片上開槽或縫，地板上開槽或縫等技術實現.如果能夠實時地改變微帶天線口徑中的微帶邊緣、開路端、槽、縫的形狀和位置，也就可以獲得不同效果的天線特性，包括帶內輻射特性和帶內/帶外的散射特性.

本研究在傳統微帶天線RCS 縮減技術結合可重構天線技術的基礎上，提出一種基于可重構機理的微帶天線RCS 縮減技術.該可重構微帶天線的微帶貼片和地板全部碎片化，并通過MEMS 開關連接，MEMS 開關導通時，微帶天線能正常輻射，MEMS 開關導通或斷開時，RCS 都有較明顯的縮減，同時，通過引入開關陣列，使可重構微帶天線能動態地保持優良的輻射和散射特性，本研究在低RCS 智能蒙皮天線方面具有較大的研究潛力.

1 微帶天線設計

1.1 傳統微帶天線設計

基于傳統的微帶天線的模型如圖1 所示.

圖1 傳統微帶天線模型圖

該天線模型的諧振頻率為2.5 GHz，貼片尺寸為48.6 mm×34.7 mm，接地板尺寸為70 mm ×51 mm.采用同軸線背向饋電，饋電點距接地板中心點(坐標原點)7.3 mm.襯底材料厚2 mm，介電常數為2.65.

1.2 可重構微帶天線設計

本研究設計的可重構微帶天線模型如圖2、3 所示.

圖2 可重構微帶天線MEMS 開關導通模型圖

圖3 可重構微帶天線MEMS 開關斷開模型圖

可重構微帶天線的貼片和地板由均勻碎片元陣組成，在相鄰碎片元之間用開關連接.天線諧振頻率2.5 GHz，貼片尺寸為35.9 mm ×25.7 mm，接地板尺寸為56 mm×41 mm.采用同軸線背向饋電，饋電點距接地板中心點(坐標原點)7.3 mm.微帶襯底的厚度為2 mm，介電常數為2.65.微帶碎片元的大小為4.4 mm×3 mm，接地板碎片元的大小為7.3 mm×5.1 mm，開關的面積為0.4 mm×0.8 mm.開關尺寸大小與實際的MEMS 開關相當.

2 實驗與分析

為獲得傳統微帶天線和可重構微帶天線的輻射和散射特性，本研究采用FEKO 軟件完成天線建模與仿真計算.由于MEMS 開關具有優良的射頻特性，本研究對開關做如下處理:當開關連通時用同尺寸的一小金屬片連通來模擬，而當開關斷開時去掉該金屬片.有研究發現，采用這種理想開關模型的仿真結果與實際使用開關實驗結果吻合良好［6］.

1)在仿真實驗中，傳統微帶天線的輻射特性由圖1 模型進行計算，可重構微帶天線的輻射特性由圖2、3 模型進行計算，表1 給出傳統微帶天線與可重構微帶天線的輻射特性及幾何尺寸計算結果.

表1 傳統微帶天線與可重構微帶天線的輻射特性比較

由表1 可見，可重構微帶天線在2.5 GHz 頻率時的的反射系數為－10 dB，具有良好的輻射特性.其天線增益為5.2 dBi，相比傳統微帶天線的7.2 dBi 增益，可重構微帶天線的增益降低了2 dB，這主要是由于天線口徑變小，天線波束寬度變寬的緣故.

2)在仿真實驗中，傳統微帶天線的散射特性由圖1模型進行計算，可重構微帶天線MEMS 開關導通狀態的散射特性由圖2 模型進行計算，可重構微帶天線MEMS開關斷開狀態的散射特性由圖3 模型進行計算.同時，為了便于比較，可重構微帶天線的散射特性計算頻點、考察剖面、極化形式都與傳統微帶天線的相同，即選取帶內工作頻點2.5 GHz 及帶外L/S/C/X/Ku 頻段典型頻點2、4、5.6、10、12 GHz，在天線H 面上(y-z 面)±90 °范圍內，考察可重構微帶天線phi-phi 極化和theta-theta 極化的單站RCS.

表2 給出了傳統微帶天線與可重構微帶天線的散射特性的計算結果.

表2 傳統微帶天線與可重構微帶天線的散射特性比較

由表2 可見，可重構微帶天線的散射特性較傳統微帶天線有明顯優勢，在帶內和帶外的不同頻段，單站RCS峰值都有明顯下降.在C 頻段及以下頻段，當可重構微帶天線全部MEMS 開關斷開時，單站RCS 峰值改善較全部開關導通時更大，其中，在L 頻段的典型頻點的phiphi 極化改善最大，單站RCS 峰值改善20 dB.在X 頻段及以上頻段，當可重構微帶天線全部MEMS 開關導通時，單站RCS 峰值改善較全開關斷開時更大，其中，在Ku 頻段的典型頻點的phi-phi 極化改善最大，單站RCS 峰值改善15.6 dB.

此外，對任意極化和頻點進行算術平均統計發現，微帶天線的RCS 峰值平均為－11.4 dBsm，可重構微帶天線MEMS 開關導通狀態的RCS 峰值平均為－17.2 dBsm，MEMS 開關斷開狀態的RCS 峰值平均為－16.4 dBsm.由此可見，與傳統微帶天線相比，在觀測頻帶內，可重構微帶天線RCS 峰值平均縮減5.8 dB.

3 結 論

在傳統微帶天線RCS 縮減技術結合可重構天線技術的基礎上，本研究提出了一種基于可重構機理的微帶天線RCS 縮減技術.該可重構微帶天線的微帶貼片和地板全部碎片化，并通過MEMS 開關陣列連接.通過引入開關陣列，該可重構微帶天線能動態地保持優良的輻射和散射特性，其在低RCS 智能蒙皮天線方面具有較大的研究潛力.

［1］Wilsen C B，Davidson D B.The radar cross section reduction of microstrip patches［C］//IEEE Africon 4th Conference.Stellenbosch，Africa:IEEE Press，1996:730－733.

［2］Zhang J J，Wang J H，Chen M E，et al.RCS reduction of patch array antenna by electromagnetic band-gap structure［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11(5):1048－1051.

［3］Cui G F，Liu Y，Gong S X.A novel fractal patch antenna with low RCS［J］.Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2007，21(15):2403－2411.

［4］Rebeiz G M，Muldavin J B.RF MEMS switches and switch circuit［J］.IEEE Microwave Magazine，2001，2(10):59－71.

［5］Chiao J C.MEMS RF devices for antenna applications［C］//2000 Asia-Pacific Microwave Conference.Sydney，NSW:IEEE Press，2000:895－898.

［6］Maloney J C，Kesler M P，Lust L M.Switched fragmented aperture antennas［C］//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Utah，USA:IEEE Press，2000:310－313.