低RCS寬帶磁電偶極子貼片天線設(shè)計(jì)

張 晨 曹祥玉 高 軍 李思佳 黃 河

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低RCS寬帶磁電偶極子貼片天線設(shè)計(jì)

張 晨①曹祥玉*①高 軍①李思佳①黃 河②

①(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)②(西安通信學(xué)院 西安 710106)

該文設(shè)計(jì)了一種低雷達(dá)散射截面(RCS)的寬帶磁電偶極子貼片天線，其中印刷在介質(zhì)板上的金屬貼片為電偶極子，3個(gè)金屬過孔連接輻射貼片與金屬地板構(gòu)成磁偶極子。整個(gè)天線采用“T”型漸變饋電結(jié)構(gòu)同時(shí)激勵(lì)電偶極子與磁偶極子，天線的頻帶范圍為7.81~13.65 GHz，覆蓋了整個(gè)X波段。實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果表明，通過在磁電偶極子貼片天線底面采用開槽技術(shù)并優(yōu)化開槽的形狀、大小、位置等變量，在天線工作頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了RCS的減縮，最大縮減量達(dá)到了17.9 dB，同時(shí)天線保持了增益穩(wěn)定不變，E面、H面方向圖一致的特性。

磁電偶極子天線；寬頻帶；開槽技術(shù)；低RCS；一致性

1 引言

微帶貼片天線以其低剖面、易共形等優(yōu)點(diǎn)在戰(zhàn)場(chǎng)通信、監(jiān)視及其它作戰(zhàn)平臺(tái)上得到了廣泛應(yīng)用，但由于帶寬窄，不能用于寬頻天線系統(tǒng)，且E面、H面方向圖差異較大，不易于組成天線陣[1,2]。

近年來，磁電偶極子天線得到了快速發(fā)展。其優(yōu)勢(shì)在于：寬帶、低后瓣、低交叉極化，更重要的是輻射方向圖在工作頻帶內(nèi)能保持穩(wěn)定、一致，這對(duì)于保證高品質(zhì)的通信質(zhì)量至關(guān)重要。2006年，文獻(xiàn)[3]首次提出了一種新型的寬帶互補(bǔ)型磁電偶極子天線；之后，文獻(xiàn)[4-8]提出了可以用于UWB通信的一種采用新型饋電方式的磁電偶極子天線，它們都具有良好的方向性、增益穩(wěn)定、低后瓣以及低交叉極化的優(yōu)點(diǎn)。但金屬接地板帶來的較大RCS限制了其在軍事隱身領(lǐng)域的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)減縮天線的RCS也提出過很多方案，但多數(shù)方案是以犧牲天線輻射性能為代價(jià)，如何在保持天線優(yōu)良輻射特性的基礎(chǔ)上，最大程度上減小天線RCS，是擺在眾多學(xué)者面前的一個(gè)重要課題[9,10]。

2 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種工作于X波段的“T”型漸變饋電結(jié)構(gòu)的磁電偶極子貼片天線，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，方形的電偶極子輻射貼片印刷在介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02的FR4-epoxy介質(zhì)板上，介質(zhì)板厚度為=3 mm，介質(zhì)板長(zhǎng)s=40 mm，寬s=40 mm，貼片長(zhǎng)度為1=3.8 mm，寬度為=7 mm，平面輻射貼片間距0=2.3 mm。3個(gè)金屬過孔同時(shí)連接兩個(gè)輻射貼片和金屬地板充當(dāng)天線的磁偶極子部分，整個(gè)天線采用“T”型漸變耦合饋線結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電通孔相連接，導(dǎo)電通孔直徑= 1.2 mm，饋線結(jié)構(gòu)位于導(dǎo)電通孔頂部，形成了共面波導(dǎo)傳輸線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了50的輸入阻抗，極大提高了天線的匹配性能，并同時(shí)激勵(lì)電偶極子和磁偶極子，實(shí)現(xiàn)了天線近乎一致的E面和H面方向圖。天線的具體參數(shù)如表1所示。

3 天線仿真分析

利用基于有限元法的電磁仿真軟件Ansoft HFSS 14對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真，圖2(a)為天線的增益以及駐波曲線，由圖可知，天線的工作頻段為7.36~12.66 GHz(11＜-10 dB)，相對(duì)帶寬為52.9%，覆蓋了整個(gè)X波段，天線的增益在9~12.5 GHz頻段內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，維持在4.5 dBi左右。圖2(b), 2(c), 2(d)為天線在10 GHz, 11 GHz, 12 GHz處的輻射方向圖，由圖可知，天線的E面和H面的方向圖近乎一致。E面的方向圖相對(duì)于H面的方向圖略有偏移，這是由于平面輻射貼片結(jié)構(gòu)不對(duì)稱引起的。

4 低RCS磁電偶極子天線設(shè)計(jì)與仿真

本節(jié)將接地板開槽技術(shù)[15]引入到了天線的RCS減縮中，分別仿真分析了不同的開槽形狀，開槽大小及位置對(duì)天線輻射及散射性能的影響。仿真結(jié)果表明，接地板開槽是減縮天線RCS的有效方案，可以在保證天線輻射性能不變的情況下，盡可能減小天線RCS。

4.1 開槽形狀

接地板上開槽的形狀對(duì)天線的散射特性影響較大，圖3為天線3種不同的開槽方式，分別在地板上開出三角形槽、矩形槽與圓形槽進(jìn)行對(duì)比。(三角形槽的邊長(zhǎng)、矩形槽的邊長(zhǎng)與圓形槽的直徑均相等，為8 mm)

圖4為3種不同開槽形狀下天線的散射特性曲線，當(dāng)平面波垂直入射時(shí)(=0°)，3種開槽方式在天線的工作頻帶內(nèi)均得到了有效減縮，其中，開三角形槽的天線在12.1 GHz頻點(diǎn)處RCS值最小，但其余頻點(diǎn)處效果均不明顯，開矩形槽與圓形槽的天線在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)均有較明顯的RCS減縮，分析認(rèn)為，由于矩形槽的面積較大，帶來了明顯的漏波效應(yīng)，因此其RCS減縮效果更好。當(dāng)平面波斜入射時(shí)(=30°)，可以看出開圓形槽的天線效果較好，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)天線的RCS值均得到了減縮，這是由于在斜入射時(shí)，漏波效應(yīng)對(duì)于RCS值的影響減弱。斜入射時(shí)，相較于開圓形槽的天線，三角形槽與矩形槽的多棱角結(jié)構(gòu)對(duì)平面波的反射較為劇烈，導(dǎo)致其減縮效果變差。因此，為了使天線達(dá)到最好的RCS減縮效果，應(yīng)在接地板上開圓形槽。

表1 低RCS寬帶磁電偶極子天線相關(guān)參數(shù)

圖1 天線結(jié)構(gòu)

圖2 原始天線匹配及輻射特性

圖3 3種不同開槽方式

圖4 3種不同開槽方式下天線的散射特性曲線

4.2 開槽的大小以及位置

圖5給出了天線的RCS值隨著圓形槽與天線地板邊緣之間的間距變化而變化的曲線，當(dāng)平面波垂直入射時(shí)，在頻帶范圍8~14 GHz都實(shí)現(xiàn)了RCS值較大的減縮，隨著間距的變大，RCS值逐漸減小，在=2.4 mm與=3.2 mm處，RCS減縮量最大相差2 dB左右。當(dāng)平面波斜入射時(shí)，這種規(guī)律則不是十分明顯，在9~12 GHz處時(shí)，隨著間距的增大，RCS值逐漸減小，在=2.4 mm時(shí)，這種規(guī)律失效。而在12 GHz之后，隨著間距的增大，

圖5 間距a取不同值天線的散射特性曲線

RCS值逐漸減小，因此，綜合考慮垂直入射與斜入射的情況后，選取間距=2.8 mm。

為了使天線在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)都有較為理想的RCS減縮，且仍保留原本磁電偶極子天線的優(yōu)良特性，這就要求開槽大小合適，開槽過小可能會(huì)減小漏波效應(yīng)，RCS減縮效果不明顯，而開槽過大則會(huì)影響斜入射時(shí)的RCS值，并且天線的輻射性能也會(huì)改變。當(dāng)平面波垂直入射時(shí)，隨著半徑的增加，天線的RCS值也隨之減小，在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)不同程度的RCS減縮效果。當(dāng)平面波斜入射時(shí)，規(guī)律基本保持不變，但在9.1~10.9 GHz時(shí)，隨著Ra的逐漸增長(zhǎng)，RCS值卻得到了增加。天線散射特性曲線如圖6所示，依據(jù)優(yōu)選原則，選取Ra=3.9 mm。

5 加工實(shí)測(cè)

圖7為對(duì)所仿真的天線進(jìn)行了實(shí)物加工，并利用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的相關(guān)輻射特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。測(cè)試結(jié)果表明，天線的工作頻帶范圍是7.88~13.68 GHz，相對(duì)帶寬為53.8%，與仿真結(jié)果基本一致。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的低RCS貼片形式的寬帶磁電偶極子天線，其工作頻段覆蓋整個(gè)X波段，為7.81~13.65 GHz，整個(gè)天線具有良好的方向性、穩(wěn)定的增益和較低的后瓣等優(yōu)良性能。同時(shí)，在工作頻帶內(nèi)也實(shí)現(xiàn)了較為理想的RCS減縮，較好地解決了該天線良好的輻射性能與低RCS之間的矛盾。

圖6 開槽Ra取不同值天線的散射特性曲線

圖7 加工圖和測(cè)試圖 圖8 仿真和實(shí)測(cè)的S11曲線

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張 晨： 男，1992年生，博士生，研究方向?yàn)槲炀€、磁電偶極子天線、人工電磁材料等.

曹祥玉： 女，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘炀€與電磁兼容、電磁超材料、計(jì)算電磁學(xué)等.

高 軍： 男，1962年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶派⑸淅碚?、電磁超材料、天線設(shè)計(jì)等.

李思佳： 男，1987年生，講師，博士，研究方向?yàn)槿斯る姶挪牧?、雙極化天線設(shè)計(jì)等.

黃 河： 男，1990年生，博士生，研究方向?yàn)槿斯る姶挪牧?、通信天線、通信保密等.

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61271100, 61471389, 61501494), Natural Science Basic Research of Shaanxi Province, China (2012JM8003)

Low Radar Cross Section and Broadband Magneto-electric Dipole Patch Antenna

ZHANG Chen①CAO Xiangyu①GAO Jun①LI Sijia①HUANG He②

①(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)②(Xi,an Communications Institute, Xi’an 710106, China)

A low Radar Cross Section (RCS) and broadband Magneto-Electric (ME) dipole patch antenna from 7.81 GHz to 13.65 GHz covering the whole X band is designed and fabricated. Metal patches printed on the substrate form the electric dipoles, three metallic vias connected to the radiation patches and the metal ground account for the magnetic dipole radiation. The whole antenna is connected with a T-shaped feed structure which excites electric and magnetic dipoles simultaneously. Numerical and experimental results incident that the RCS of the ME dipole patch antenna can be reduced in the whole bandwidth which the largest value is up to 17.9 dB by cutting slots on the ground and optimizing the size, shape, position of the slots. Also, the antenna shows advanced performances such as stable gain and almost consistent pattern in E and H plane.

Magneto-Electric (ME) dipole antenna; Broadband; Cutting slot technique; low RCS; Consistency

TN82

A

1009-5896(2016)04-1012-05

10.11999/JEIT150897

2015-07-28；改回日期：2015-11-27；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-02-19

曹祥玉 gjgj9694@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271100, 61471389, 61501494)，陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JM8003)