L波段一維低RCS陣列天線設(shè)計(jì)方法

任志剛

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L波段一維低RCS陣列天線設(shè)計(jì)方法

任志剛

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

L波段陣列天線是隱身平臺(tái)的強(qiáng)散射源之一，其主要散射源包括結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射、模式項(xiàng)散射及散射柵瓣三類。對(duì)上述三類強(qiáng)散射源進(jìn)行機(jī)理分析，提出相應(yīng)的縮減方法，完成了天線的RCS(Radar Cross Section雷達(dá)散射截面)縮減設(shè)計(jì)，并針對(duì)L波段一維低RCS陣列天線的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射縮減等方法給出了數(shù)值仿真驗(yàn)證。針對(duì)所示算例，仿真結(jié)果表明，采用矩形平板偏置15°的方法，3 GHz頻率下可以將結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射由3.5 dBsm降低到–26 dBsm。

低RCS；L波段陣列天線；散射；結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射；模式項(xiàng)散射；縮減

近年來(lái)，隨著隱身武器平臺(tái)自身的散射不斷降低，隱身平臺(tái)上裝配的天線逐漸成為散射重點(diǎn)[1-5]。

L-波段陣列天線在充分利用平臺(tái)空間的情況下，利用自身波長(zhǎng)較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以獲得優(yōu)異的遠(yuǎn)距離探測(cè)性能，同時(shí)在惡劣天氣環(huán)境中的穿透力及復(fù)雜地面雜波下的可靠性也較好[2-3]。此外，L波段往往還可以提供一些“附加功能”，如探測(cè)搜索功能，以及像敵我識(shí)別/二次雷達(dá)這樣的“第二功能”。因此，有必要對(duì)L-波段陣列天線進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)。

天線作為一類特殊的散射體，既要正常收發(fā)電磁波，又要具備低RCS(Radar Cross Section 雷達(dá)散射截面)特性，其隱身設(shè)計(jì)極為復(fù)雜。未經(jīng)低RCS設(shè)計(jì)的天線直接暴露在雷達(dá)波的照射下，其散射回波較強(qiáng)。天線的特殊性使得常規(guī)散射體的縮減手段如整形、吸波材料技術(shù)等，不可能通過(guò)簡(jiǎn)單使用就取得較好效果[2-5]，天線的隱身性能已成為隱身平臺(tái)RCS縮減至關(guān)重要的一個(gè)方面。

L-波段陣列天線由天線單元、T/R(發(fā)射/接收)組件、饋線網(wǎng)絡(luò)、波控、天線冷卻系統(tǒng)等部分組成。L-波段陣列天線除考慮天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射及天線模式項(xiàng)散射外，還需考慮由周期排布的單元產(chǎn)生的散射柵瓣的影響。阮穎錚[1]及David[2]對(duì)天線的隱身原理進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。李小秋等[5]則針對(duì)相控陣天線RCS縮減進(jìn)行了討論。龍文峰等[6]設(shè)計(jì)了一種具有寬帶特性的L波段天線，對(duì)如何展寬帶寬進(jìn)行了較多的討論，但是對(duì)其散射特性則幾乎沒(méi)有提及。

當(dāng)前鮮有文章對(duì)L-波段陣列天線RCS縮減方法進(jìn)行討論。本文針對(duì)L-波段陣列天線的特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射、模式項(xiàng)散射及散射柵瓣三類散射源進(jìn)行研究并提出相應(yīng)的縮減方法。

1 陣列天線RCS分析

從陣列天線結(jié)構(gòu)組成上看，天線包括安裝腔體、天線罩等結(jié)構(gòu)件以及由大量天線單元按照一定規(guī)律排布形成的用于輻射電磁波的天線陣面[1]。根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)組成情況，可將天線的單站RCS（A）拆分為：天線陣面RCS（array）及天線腔體、天線罩體等結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS（s），其表達(dá)式為：

式中：am為各天線單元RCS；為入射平面波的波矢量；為天線單元的相對(duì)坐標(biāo)矢量；為天線單元的數(shù)量。am還可進(jìn)一步折分為天線單元的結(jié)構(gòu)項(xiàng)ams和模式項(xiàng)ame，其表達(dá)式為[1]：

2 結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射

L-波段陣列天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS（s）與一般目標(biāo)的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射相同，該部分散射是由入射電磁波在天線結(jié)構(gòu)上的感應(yīng)電流或位移電流產(chǎn)生的散射場(chǎng)，與材料自身的物理特性、形狀及入射電磁波的頻率、極化、方向等相關(guān)。低RCS外形修形技術(shù)、偏置技術(shù)及吸波材料技術(shù)是縮減結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射的重要措施。

外形修形技術(shù)通過(guò)對(duì)目標(biāo)的幾何外形修形，達(dá)到縮減目標(biāo)RCS的目的。需要強(qiáng)調(diào)的是外形修形技術(shù)是針對(duì)重點(diǎn)角域縮減RCS的方法，通常一個(gè)角域RCS的下降，必然是以另外某個(gè)角域RCS的上升為代價(jià)。天線采用外形修形主要針對(duì)目標(biāo)重點(diǎn)角域的RCS進(jìn)行縮減。

當(dāng)前，L-波段陣列天線多在機(jī)翼位置采用一維陣列布陣進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，在滿足天線輻射覆蓋空域要求的同時(shí)，降低RCS縮減難度。俄羅斯新2009年8月莫斯科航展上，展出的一款新型L-波段有源陣列雷達(dá)，這款新型L-波段有源陣列雷達(dá)的亮點(diǎn)之一就在于它是一種安裝在襟翼上的雷達(dá)系統(tǒng)。將L-波段陣列天線安裝于機(jī)翼，利用機(jī)翼法向的后向散射較強(qiáng)的特點(diǎn)，將天線在該方向的后向散射隱沒(méi)在機(jī)翼的散射之下。

偏置技術(shù)是縮減目標(biāo)結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS的另外一種重要手段，通過(guò)將幾何體法向偏置一定角度，可以將幾何體法向的散射峰值移出RCS考察區(qū)域，從而達(dá)到縮減目標(biāo)RCS的目的。在L波段陣列天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS縮減設(shè)計(jì)中，通過(guò)將安裝支架后仰一定角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以將安裝支架的鏡面強(qiáng)散射偏移出威脅區(qū)域，偏轉(zhuǎn)角度需綜合天線的掃描空域、增益等指標(biāo)一起考慮，偏置技術(shù)可以大幅縮減由安裝支架帶來(lái)的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射。

偏置的基本原理可以由平板的散射特性得到，當(dāng)平板的輪廓為矩形時(shí)，設(shè)矩形平板的一邊長(zhǎng)為，另一邊長(zhǎng)為，矩形面積，為入射波長(zhǎng)，為自由空間波數(shù)，入射平面與邊之間的角度定義為，入射線與法線之間的夾角定義為，矩形平板的散射公式如下[1]

針對(duì)L波段陣列天線，假設(shè)天線安裝結(jié)構(gòu)支架長(zhǎng)邊約為1.2 m，短邊約為0.2 m，此時(shí)用矩形平板代替上述安裝結(jié)構(gòu)，對(duì)偏置15°效果進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，矩形平板偏置15°后RCS下降迅速。對(duì)0°到60°范圍內(nèi)偏置后的結(jié)果取均值統(tǒng)計(jì)，可以看出，偏置效果隨著偏置角度的增加，逐漸減弱，其結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，偏置15°左右時(shí)效果較好，可以將結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射由3.5 dBsm降低到–26 dBsm。使用吸波材料是縮減目標(biāo)結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS的重要手段。在L波段陣列天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS縮減設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際空間的大小，對(duì)吸波材料的厚度及外形進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)為了取得更好的吸波效果，在吸波材料邊緣處設(shè)計(jì)為阻抗?jié)u變形式，抑制表面不連續(xù)性散射等散射源，最重要的一點(diǎn)，必須在天線電性能允許范圍內(nèi)，使用吸波材料縮減天線的結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS。

3 模式項(xiàng)散射

天線的模式項(xiàng)散射指因天線端接負(fù)載與天線失配而反射的功率經(jīng)由天線二次輻射而產(chǎn)生的散射場(chǎng)，是天線作為加載散射體所特有的散射。

對(duì)于天線單元RCS的模式項(xiàng)，主要與該天線單元的增益方向圖、端口負(fù)載、極化匹配等參數(shù)有關(guān)，并且具有理論計(jì)算公式，其雙站RCS的公式如下[2]：

圖1 頻率3 GHz平板偏置15°時(shí)的改善效果

Fig.1 Effect of plate with 15° offset for 3 GHz

圖2 不同頻率平板偏置效果隨角度變化情況

從上式中可以看出，天線單元模式項(xiàng)在交叉極化時(shí)，因入射、散射極化匹配因子t、r較小而可以基本忽略。當(dāng)天線單元主要輻射方向?yàn)殛嚸娣ㄏ颍尤肷浣嵌葞缀醪惠椛鋾r(shí)，掠入射角度增益趨近于0，此時(shí)模式項(xiàng)也幾可忽略，其他情況需考慮天線模式項(xiàng)散射。

縮減天線的模式項(xiàng)散射，主要通過(guò)調(diào)整天線單元的增益及反射系數(shù)，對(duì)于天線陣則還需考慮單元反射系數(shù)的一致性，從而使得整個(gè)天線陣的模式項(xiàng)散射得以縮減。

4 天線陣面散射柵瓣

周期排布的結(jié)構(gòu)被電磁波照射時(shí)，散射場(chǎng)會(huì)因周期排布的結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)干涉現(xiàn)象[2-3]，陣列天線陣由周期排布的單元組成，由于其布陣間距較大，如不做特殊處理，天線陣在高于L波段的大部分RCS考察頻率上會(huì)出現(xiàn)密集的散射柵瓣。散射柵瓣的抑制是L-波段陣列天線RCS縮減的重點(diǎn)之一。

假設(shè)天線陣列排布于軸，并認(rèn)為各天線單元的RCS方向一致，則可以給出天線陣列散射因子：

由（7）式可知，在=90°（天線陣面法向）方向，天線陣列RCS具有最大值。若在特殊電磁波入射方向（b，b）使天線陣列RCS取得最大值（或極大值），則該散射峰為天線陣列的散射柵瓣，其入射方向（b，b）需滿足如下條件：

如果在天線陣列RCS考查角域內(nèi)出現(xiàn)散射柵瓣，其必將大幅增加考查角域內(nèi)的天線RCS均值，并嚴(yán)重影響該天線陣列隱身性能。從式(8)中可以看出，天線陣列散射柵瓣的主要影響因素是天線單元之間的間距，除此之外，天線單元的RCS方向圖也有貢獻(xiàn)。因此，散射柵瓣的抑制可以通過(guò)單元加密以及控制天線單元RCS方向圖兩個(gè)方面進(jìn)行。當(dāng)陣列天線的單元間距小于RCS考察入射波波長(zhǎng)的一半時(shí)，就可以避免散射柵瓣的產(chǎn)生。在出現(xiàn)柵瓣的角度，通過(guò)對(duì)天線單元的設(shè)計(jì)，使單元在同一角度RCS量級(jí)更低，從而抵消陣列由于干涉而形成的散射柵瓣是另外一種抑制散射柵瓣的思路。但是由于在單元間距固定的情況下，柵瓣出現(xiàn)角度隨頻率變化而改變，而單元RCS方向圖的谷點(diǎn)設(shè)計(jì)很難與柵瓣出現(xiàn)角度進(jìn)行寬帶匹配設(shè)計(jì)，故該方法更適用于窄帶的柵瓣抑制設(shè)計(jì)。

通過(guò)天線陣列散射因子對(duì)6元一維陣列進(jìn)行分析，加密后陣列為12元一維陣列，針對(duì)工作頻點(diǎn)0，波長(zhǎng)為0，當(dāng)布陣間距為0/2時(shí)，針對(duì)頻點(diǎn)0、1.50、20，對(duì)比加密前后對(duì)柵瓣的抑制效果，結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3中可以看出，加密技術(shù)抑制了天線陣列的散射柵瓣，但是同時(shí)提高了陣列散射峰值，由于該峰值位置與安裝面的法向峰值重合，且其量級(jí)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安裝面的法向峰值，所以加密技術(shù)仍然是有效的抑制散射柵瓣的技術(shù)之一。另外一點(diǎn)需要提及的是，雖然加密技術(shù)在一個(gè)倍頻內(nèi)抑制了天線陣列的散射柵瓣，但是在一個(gè)倍頻的上限如頻點(diǎn)20時(shí)，在陣列邊緣方向上出現(xiàn)了新的柵瓣，該柵瓣可以通過(guò)進(jìn)一步加密天線陣列進(jìn)行抑制，但是通常由于單元尺寸等原因限制，難以繼續(xù)通過(guò)加密進(jìn)行縮減設(shè)計(jì)。

對(duì)L-波段陣列天線的柵瓣抑制分為帶內(nèi)與帶外兩個(gè)部分。帶內(nèi)柵瓣抑制可以通過(guò)增加虛擬單元的方式，對(duì)天線陣列進(jìn)行加密，達(dá)到減小天線陣列間距的目的，從而抑制天線散射柵瓣。帶外柵瓣抑制的最有效手段仍然是頻率選擇表面技術(shù)，通過(guò)對(duì)頻率選擇表面天線罩的合理設(shè)計(jì)，使得散射柵瓣在帶外得到較好的控制。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)L波段陣列天線散射來(lái)源的分析，其結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS、模式項(xiàng)RCS及天線散射柵瓣是天線RCS的主要來(lái)源。偏置技術(shù)、使用吸波材料可以對(duì)結(jié)構(gòu)項(xiàng)RCS進(jìn)行縮減；采用阻抗匹配可以對(duì)天線模式項(xiàng)RCS進(jìn)行縮減；對(duì)散射柵瓣則須采用天線單元RCS控制結(jié)合加密技術(shù)對(duì)帶內(nèi)柵瓣進(jìn)行抑制，同時(shí)采用頻率選擇表面天線罩對(duì)帶外散射柵瓣進(jìn)行抑制。

圖3 陣列加密示意圖及散射柵瓣抑制效果

[1] 阮穎錚. 雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1998.

[2] DAVID L J. 射頻隱身導(dǎo)論[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2009.

[3] 桑建華. 飛行器隱身技術(shù)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2013.

[4] 何慶強(qiáng), 王秉中, 何海丹. 智能蒙皮天線的體系構(gòu)架與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電訊技術(shù), 2014, 54(8): 1039-1045.

[5] 李小秋, 潘宇虎, 牛寶君, 等. 低RCS 相控陣天線設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2011, 33(7): 53-55.

[6] 龍文峰, 李杜, 周偉, 等. 超寬帶圓錐天線的設(shè)計(jì)[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2012, 26(11): 18-22.

（編輯：陳渝生）

Design of one dimension low RCS L-band array antenna

REN Zhigang

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

L-band array antenna of hiding platform is one of large scattering sources, which consists up of three major contributors, scattering, antenna-mode scattering and Bragg scattering. All of the three major contributors were studied, and reduction methods were presented. RCS reduction design of the antenna was completed. And according to the characteristics of the L-band array antenna, the numerical simulation verifications of the structural mode scattering reduction method, etc. were presented. According to the given example, simulation results show that by using the method of rectangular flat biasing 15°, the structural mode scattering can be reduced from 3.5 dBsm to –26 dBsm for 3 GHz.

low RCS; L-band array antenna; scattering; structural mode scattering; antenna-mode scattering; reduction

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.014

TN958

A

1001-2028（2016）07-0060-04

2016-04-23

任志剛（1981－），男，四川成都人，工程師，從事天線設(shè)計(jì)研究，E-mail: zhigangren@126.com 。

2016-07-01 10:50:46

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.014.html