應用天線二次輻射對消縮減天線RCS* 1

任志剛

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

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應用天線二次輻射對消縮減天線RCS* 1

任志剛

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

摘要：天線雷達散射截面的縮減(RCS,Radar Cross Section)在軍事應用中日益重要，隨著隱身技術的不斷發展，天線雷達散射截面的縮減成為實現低散射平臺電磁隱身特性的關鍵。非陣列天線的單站散射除結構項散射外，還包括天線作為接收裝置截獲入射能量并將其發射出去而引起的二次輻射，即天線模式項散射，當前模式項散射主要通過匹配負載的方式進行縮減而未較好的對其進行利用。通過對天線模式項散射及天線結構項散射的分析及討論，通過端接負載控制天線模式項散射與天線結構項進行的對消，提出一種利用天線二次輻射對消縮減天線RCS的方法。

關鍵詞：雷達散射截面RCS；模式項散射；結構項散射；二次輻射對消

0引言

21世紀隱身技術在軍事領域的應用更加廣泛，世界各國都及其重視隱身武器研究和應用[1-2]。隨著隱身技術的飛速發展，飛行器以及艦艇等武器平臺自身的RCS得到了很好的縮減，與以前相比下降了1到2個數量級。同時新技術如FSS結構、吸波材料等隱身新技術的發展以及應用，使飛行器等隱身目標自身的RCS已經非常小，因而其RCS的主要貢獻來源于飛行器、艦艇等武器平臺上的天線系統，當前，戰斗機、艦艇等武器平臺上的天線系統數量已達數十乃至上百部，因此，低RCS天線技術是保障武器平臺目標隱身性能的重要手段。

天線的散射較一般目標的散射更為復雜，其分析手段通常采用矩量法或有限元法[3]等數值方法。非陣列天線不但具有一般散射體的鏡面反射、邊緣繞射等結構項散射，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散射[4-7]。天線作為電磁波發射和接收裝置的特點，使其散射特性尤為復雜。

本文從天線結構項散射及天線模式項散射出發，分析了非陣列天線單站散射的特點，并針對天線帶內散射特點，提出在一定角域內利用天線二次輻射進行對消的方法縮減天線的RCS。

1天線系統散射分析

從散射角度上講，天線RCS[1-2]可折分為天線單元的結構項(σs)和模式項(σa)，其表達式如下：

(1)

ψ表示天線結構項及模式項散射場之間的相對相位差。

天線散射主要由其本身的結構項散射及模式項散射構成。天線模式項散射又主要與天線的輻射方向圖、端口負載、極化匹配等參數有關，天線單元的模式項的單站RCS計算公式為：

σa=G2μ2Γ2λ2/4π

(2)

KahnandKurss[3]用散射矩陣描述了接收天線端接負載接收到的能量及天線散射能量之間的關系。Hansen[5]對廣義散射矩陣理論進行了梳理，對天線結構項散射與模式項散射進行了重新定義。

為了分析方便，沿用KahnandKurss[4]中的散射矩陣定義, 當定義天線為無耗時，可以表示如下。

(3)

bα=Sαα·Γ·bα+Sαβ·aβ

(4)

(5)

若設天線口徑效率為ξ，定性考慮天線結構項與模式項之間的關系，式(5)可重寫為：

(6)

式(6)表述了天線口徑效率越好，天線結構項散射將逐漸消失，天線接收到的全部能量部分被端口吸收，部分通過模式項散射二次輻射到空間；當天線效率越差時，天線輻射能力變小，逐漸退化為普通結構項散射。即天線只在帶內表現出模式項散射，而帶外只有結構項散射。

2應用二次輻射對消天線結構項

對于普通的天線，其口徑效率一般均小于1，即使通過阻抗匹配，仍有部分結構項散射無法消除。然而，通過對天線端口阻抗進行設計，可以使得天線模式項散射與結構項散射幅度相同、相位相反，完成在特定觀察角度上模式項散射與結構項散射的對消，大幅度降低天線在該角度上的后向散射。

為了完成模式項與結構項散射的對消，首先對天線單元的結構項及模式項進行分離提取[5]進行介紹，考慮如圖1所示的天線模型。

圖1　天線散射模型

針對圖1所示天線散射模型，首先，在饋電傳輸線的單模傳輸區選擇參考面Sa，令Sa短路。這樣，天線端接負載Zl=0，負載反射系數Γl=(Zl-Zc)/(Zl+Zc)=-1。此時，可將天線的散射總場寫為：

(7)

然后，令參考面Sa開路，即Zl=，Γl=1。此時，天線總的散射場為：

(8)

聯合求解式(7)和式(8)，可得到：

(9)

得到結構項與模式項的表達式后，通過聯立上述方程，令其幅度相等，相位相反，可以得到需要的反射系數，從而得到端接負載的參數值。

(10)

由式(10)可以得到使得不同單站RCS考察角度散射值最小時，天線端口需要加載的阻抗值。

(11)

為了達到在一定角域內RCS均值較小，對于Theta進行優化，以正負40°角域內天線RCS均值為縮減目標，選取入射角15°進行對消，得到了較好的縮減效果。

3數值算例

為了驗證上述方法，這里給出微帶天線模式項RCS的提取。所給矩形微帶天線的結構如圖2 所示，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。該天線激勵Y極化電磁波，故對于X極化其口徑效率為0。由第2節分析可知，該天線只能利用天線二次輻射對消技術對天線Y極化RCS進行縮減。

圖2　微帶天線模型

為獲得天線的輻射場與開路短路加載時的散射場，這里采用Feko軟件完成計算。圖3給出了天線的反射系數，可以看出該貼片單元諧振在2.44 GHz。

圖3　反射系數

圖4給出該微帶天線在E面及H面的增益結果。圖5給出該微帶天線空間方向圖。

圖4　E面及H面增益

圖5　增益

由式(2)，針對H面通過天線增益計算得到的天線模式項如圖6所示。

圖6　由增益計算的模式項RCS曲線

通過式(5)計算得到的天線結構項RCS及模式項RCS如圖7所示。此時，Theta角度正負40度內RCS的均值為-30.26 dB。從上式可以看出，天線模式項散射在Theta角度正負40°以內大于結構項散射，所以在Theta角度正負40°以內均可以應用天線的二次輻射對消技術對天線RCS進行縮減。

圖7　由式(9)計算的結構項及模式項RCS

通過式(6)得到天線法向及15°散射最小時端口需要加載的阻抗值，利用FEKO進行仿真得到此時微帶天線的RCS對比曲線如圖8所示。

圖8　法向與15度對消后天線RCS曲線對比

從圖8中可以看出，針對15°利用天線二次輻射對天線RCS進行縮減后，天線RCS的縮減效果更好。

4結語

非陣列天線散射主要包括模式項散射及結構項散射兩部分，通過對微帶天線結構項散射及模式項散射的分析，可知對天線模式項散射及結構項散射獨立進行縮減不可能得到最優的天線散射特性，通過天線二次輻射對消技術，可以將天線的模式項散射與結構項散射進行對消，從理論上將天線的RCS縮減至無窮小，微帶天線上的應用實例驗證了天線二次輻射對消技術的有效性。天線二次輻射對消技術對天線RCS的縮減有著較為重要的理論意義。

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RCSReductionofAntennawithReradiationInterferenceCancellation

RENZhi-gang

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036,China)

Abstract：RCS reduction of antenna now becomes increasingly important in modern military application. With the continuous development of stealth technology, RCS reduction of antenna must be considered in particular when applied to low RCS platform. In addition to structural-mode scattering, single station RCS of non-array antenna, also involves the antenna-mode scattering——a result of antenna reradiation. Matched loading is often used to reduce the antenna-mode scattering, but no further utilization done to the antenna-mode scattering. Based on discussion and analysis of the antenna mode scattering and structural mode scattering, a method with antenna mode to reduce RCS of antenna is proposed.

Key words：RCS (Radar Cross Section); antenna-mode scattering; structural-mode scattering; reradiation interference cancellation

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.05.009

* 收稿日期：2016-01-03；修回日期：2016-04-05Received date:2016-01-03；Revised date：2016-04-05

中圖分類號：TN82

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)05-0554-04

作者簡介：

任志剛(1981—)，男，博士，主要研究方向為計算電磁學，天線設計，數值代數。