一種新型的低散射微帶天線陣設計*

蘭俊祥 曹祥玉 高軍 韓江楓 劉濤 叢麗麗 王思銘

(空軍工程大學信息與導航學院, 西安 710077)

(2018 年 9 月 13 日收到; 2018 年 10 月 30 日收到修改稿)

本文將電磁表面(electromagnetic surface, EMS)的設計思想引入到微帶天線陣的設計中, 在設計天線單元的同時, 也將其作為EMS單元兼顧其反射特性. 通過在矩形輻射貼片上開弧形缺口, 得到一種新的單元結構, 該單元可與原始EMS單元之間形成180° ± 30°有效相位差, 且作為天線單元時與原始天線工作在相同諧振模式、相同頻帶. 將兩種單元以棋盤形式構成組合天線陣, 在兩個極化下分別基于相位對消原理和吸波原理實現了雷達散射截面 (radar cross section, RCS) 減縮. 實測與仿真結果表明: 相較于等大小的金屬板, 在x極化波照射下, 天線陣在 5.6—6.0 GHz實現了 6 dB 以上的 RCS 減縮, 相對帶寬為 10.1%; 在 y 極化波照射下, 天線陣在5.0—7.2 GHz實現了6 dB以上的RCS減縮, 相對帶寬為24%. 同時由于兩種單元在輻射上具有較好的一致性, 使得組合天線陣的輻射性能得以保持. 該方法有效解決了天線陣輻射和散射難以兼顧的矛盾, 為其他形式的低散射天線陣的設計提供了新的方法與思路.

1 引 言

隨著電子戰的快速發展, 隱身領域成為各國爭相研究的重要戰略領域. 天線作為諸多作戰平臺上不可或缺的一部分, 其重要性不言而喻. 但天線作為目標系統的強輻射和散射源, 其自身的雷達散射截面 (radar cross section, RCS)給隱身平臺尤其是低可探測平臺的RCS貢獻很大[1]. 因此, 降低平臺上天線自身的RCS迫在眉睫. 傳統方法通過外形結構設計、涂覆吸波材料[2?4]等手段在一定程度上實現了RCS減縮, 但對天線的輻射性能有一定的影響. 電磁表面 (electromagnetic surface, EMS)是一種影響電磁波傳播特性的超薄界面, 其定義為縱向尺寸(剖面厚度)遠小于波長, 橫向尺寸(表面口徑大小)處于亞波長到一個波長之間, 且對電磁波具有散射、透射或者吸收作用的周期或非周期人工結構. EMS所包含的范圍非常廣泛, 包括具有完美吸波特性的吸波體(metamaterial absorber)、具有同向反射特性的人工磁導體(artificial magnetic conductor, AMC)、具有空間濾波特性的頻率選擇表面 (frequency selective surface, FSS)、具有極化轉換特性的極化旋轉表面(polarization rotation surface, PRS)等[5?13]. 隨著 EMS 的發展, 其在減縮單個天線RCS上的成功應用[14?16]也給減縮天線陣列RCS提供了參考.

文獻[17]通過采用帶阻型FSS取代2 × 2天線陣的金屬地板, 在4.0—16.5 GHz范圍內有效降低了天線陣的RCS. 文獻[18]通過利用多種單元構造新型的PRS, 并以共地板共基板的方式將其加載在2 × 2貼片陣列周圍, 在保持輻射特性基本不變的情況下, 在 6.0—7.6 GHz和 9.5—26.0 GHz范圍內實現了天線的RCS減縮. 文獻[19]將有效相位差的EMS排布在2 × 2微帶天線陣周圍,在 6.2—7.3 GHz范圍內有效減縮了天線 RCS.2018年, Zhang等[20]將兩種AMC結構放置在微帶天線陣下方, 并利用編碼思想優化布陣, 在6.0—13.4 GHz寬帶范圍內實現了 RCS 減縮. 盡管已有較多文獻通過加載EMS實現了天線陣的RCS減縮, 但在設計時, EMS單元和天線陣設計各自獨立, 且所研究的對象大多偏向于小規模陣列, 對于更大規模陣列天線的RCS縮減問題研究較少.

本文針對較大規模微帶天線陣的輻射與散射難以同時兼顧的難題, 在設計天線單元時, 引入EMS的設計思想, 單元結構既作為天線單元, 又作為EMS單元. 在矩形貼片天線研究的基礎上, 通過結構優化演變設計了另一種與原始天線單元工作在相同模式、相同頻段的天線單元, 并與其形成有效相位差. 通過將兩種單元以棋盤形式布陣組成 4 × 4 天線陣, 在y極化下, 實現了基于相位對消原理的RCS減縮, 在x極化下, 采用加載匹配負載的方式實現了基于吸波原理的RCS減縮. 由于兩種天線單元在輻射性能上具有較好的一致性, 使得組合天線陣同樣具有優良的輻射性能.

2 單元設計與分析

C波段微帶天線已廣泛應用于衛星通信、導航、氣象勘察、無線電衛星定位等領域[21,22], 因此本文在基于有限元法的商用電磁仿真軟件Ansoft HFSS中建模并設計了一個工作在5.8 GHz的微帶天線. 單元結構如圖1(a)所示, 天線單元大小p為 25 mm (0.48λ,λ為 5.8 GHz 對應的波長),介質板采用介電系數εr為2.65, 介質損耗 t anδr為0.001 的聚四氟乙烯玻璃布板, 厚度t= 3.0 mm.矩形貼片的長邊l1= 13.6 mm, 窄邊w1= 14.4 mm,天線饋電點的位置離中心的距離s1= 2.9 mm, 為便于描述, 該單元作為天線單元時稱為E1.

在主從邊界條件和Floquet端口激勵下, 對單元1作為EMS1的反射特性進行仿真, 結果如圖2所示. 在x極化下, EMS1 加載 5 0 ? 匹配負載后,反射幅度大幅降低, 存在較高的吸波率, 其最小反射幅度對應頻點接近E1的諧振點5.8 GHz. 在y極化下, 加載前后, EMS1反射幅度始終接近于1,類似全反射, 反射相位沒有變化. 由以上分析可知,匹配負載的引入僅對x極化下的反射抑制有所改善, 而對y極化下的反射特性影響較小, 因此y極化下的全反射急需得到抑制. 在此基礎上, 分析了加載匹配負載后, 不同參數對EMS1反射特性的影響, 結果如圖3所示. 由圖3(a)和圖3(b)可知,x極化波照射下, 隨著l1的增加, 吸波頻點逐漸向低頻移動, 相位也隨之向低頻偏移,l1對y極化下的反射幅度和相位影響很小. 據圖3(c)和圖3(d)可知, 饋電位置s1對x極化下的反射幅度影響較大, 相位影響較小, 對y極化下的反射幅度和相位影響均很小. 如圖 3(e)和圖 3(f)所示,w1對兩個

圖1 單元三維結構示意圖 (a) 單元 1; (b) 單元 2Fig.1. Geometry of (a) element 1 and (b) element 2.

圖2 匹配負載對 EMS1 反射特性的影響 (a) 反射幅度; (b) 反射相位Fig.2. Reflection characteristics with and without matching load: (a) Reflection magnitude; (b) reflection phase.

極化下的反射幅度影響較小, 但對y極化下的反射相位影響卻很大.

圖3 不同參數對 EMS1 反射特性的影響 (a) l1 對反射幅度的影響; (b) l1 對反射相位的影響; (c) s1 對反射幅度的影響;(d) s1 對反射相位的影響; (e) w1 對反射幅度的影響; (f) w1 對反射相位的影響Fig.3. Effects of various parameters on reflection performance: Effects of l1 on (a) reflection magnitude and (b) phase; effects of s1 on (c) reflection magnitude and (d) phase; effects of w1 on (e) reflection magnitude and (f) phase.

根據以上分析, 為了使由兩種單元組合的陣列在y極化入射波下實現基于相位對消原理的RCS減縮, 在矩形貼片上開口設計單元2是較好的方法, 其目的在于減小窄邊w1在y方向上的等效長度, 使y極化下的反射相位向高頻移動, 從而與EMS1之間形成有效相位差. 故通過在矩形貼片上開弧形缺口, 分析開口對天線反射系數及對y極化入射波下反射相位的影響, 結果如圖4所示.由圖4可知, 開口后天線相對帶寬幾乎不變, 工作頻帶稍向低頻移動, 而在y極化下的反射相位則向高頻移動, 故開口有利于相位向高頻偏移以便與原始單元之間形成有效相位差. 之后通過優化天線矩形輻射貼片的長邊、窄邊及開口的深淺r和饋電點位置s2, 得到了既使E2與E1工作在相同頻段, 又使EMS2在y極化下與EMS1存在有效相位差的最終結構, 如圖 1(b)所示. 具體參數如下:l2= 12.0 mm,w2= 14.3 mm,s2= 2.3 mm,r= 3.8 mm.

圖4 弧形缺口對天線|S11|及 y 極化下反射相位的影響Fig.4. Influences of arc-shaped structure on reflection coefficient |S11| and reflection phase.

圖5(a)給出了優化后兩種天線的|S11|曲線,E2 仍在 5.8 GHz 處諧振, 諧振帶寬 (5.2%)相較于E1 (6.9%)略有縮減. 圖5(b)給出了在諧振點5.8 GHz的方向圖, 二者無論是xoz面還是yoz面都近乎完全重合, 故E2與E1在輻射性能上具有較好的一致性. 當兩種單元作為EMS時, 其對應的反射特性如圖6所示. 在x極化下, 二者均存在較高的吸波率, 相位曲線差別不大, 不存在有效相位差. 而在y極化下, 都近乎全反射, 但在 5.5—6.9 GHz存在有效相位差, 基本滿足相位對消的條件.

為了進一步說明這種開口方式的機理, 圖7給出了兩種單元在輻射邊界條件下的表面電場分布和在主從邊界條件下的表面電流分布. 由圖7(a)和圖7(b)可知, E1輻射貼片兩窄邊電場方向相反,開缺口后, E2窄邊兩端的電場方向仍互為反向, 天線的主模激勵TM10模沒有發生改變. 在y極化波照射下, EMS1和EMS2在各自零反射相位頻點(5.24和 6.86 GHz)的表面電流分布如圖7(c)和圖7(d)所示, 由于EMS2金屬貼片在y方向上的實際物理尺寸減小, 使電流流動路徑變短, 因此EMS2的諧振頻率向高頻偏移, 從而與EMS1之間形成了有效相位差.

3 低散射微帶天線陣的設計與分析

采用2 × 2的單元塊以棋盤布陣方式設計組合天線陣, 為便于描述, 對陣列中的天線單元進行編碼, 具體編碼方式如圖8所示.

取陣列中間四個單元作為對比, 即取E22,E23, E32, E33. 圖 9(a)給出了這四個天線單元的|S11|, 可以看出, |S11|曲線幾乎重合, 均在 5.8 GHz產生諧振. 圖9(b)給出了增益特性曲線, 可以看出,陣列在工作頻帶內, 增益始終在16 dBi以上. 圖9(c)和圖9(d)給出了在5.8 GHz的方向圖, 可知在主瓣方向天線陣交叉極化遠小于主極化. 以上分析驗證了兩種具有相同諧振模式, 且工作頻帶幾乎相同的天線單元組合布陣后, 也擁有良好的輻射特性.

圖5 天線單元輻射特性 (a) |S11|; (b) 方向圖Fig.5. Radiation properties of two elements: (a) Reflection coefficients |S11|; (b) two-dimensional radiation patterns at 5.8 GHz.

圖6 EMS 反射特性 (a) 反射幅度; (b) 反射相位Fig.6. Reflection characteristics of two elements: (a) Reflection magnitude; (b) reflection phase.

圖7 表面電場與電流分布 (a) E1 在 5.8 GHz 的表面電場分布; (b) E2 在 5.8 GHz 的表面電場分布; (c) EMS1 在 5.24 GHz 的表面電流分布; (d) EMS2 在 6.86 GHz 的表面電流分布Fig.7. Surface E-field distributions at 5.8 GHz of (a) E1 and (b) E2; surface current distributions (c) at 5.24 GHz of EMS1 and(d) at 6.86 GHz of EMS2.

圖8 設計天線陣的模型示意圖Fig.8. Schematic geometry of the proposed antenna array

圖10給出了天線陣列的單站RCS, 并與等大小金屬板的RCS比較. 在入射波垂直入射時,x極化下, 天線陣在諧振點5.8 GHz處具有較強的反射抑制, 相較于金屬板, 在 5.6—6.2 GHz 范圍內實現了6 dB以上的RCS減縮, 覆蓋天線工作頻段5.6—6.0 GHz.y極化下, 天線陣在 5.5—7.0 GHz 范圍內實現了6 dB以上的RCS減縮, 相對帶寬為24%.在入射波斜30°照射下的鏡像雙站RCS如圖11所示,x極化下, 所設計的天線陣在帶內仍可有減縮6 dB 以上,y極化下, 在 5.5—7.0 GHz仍有 5 dB以上的RCS減縮.

為了直觀地說明兩種極化下RCS減縮的機理不同, 圖12給出了在入射波垂直入射時5.8 GHz處不同極化下的三維散射方向圖. 可以看出, 設計天線陣在x極化下的反射波峰明顯小于金屬板, 在整個角域內的能量都得到了降低, 故在x極化下的RCS減縮是基于匹配負載的吸收.y極化下, 設計天線陣在φ= 45°, 135°, 225°和 315°平面出現強散射峰, 散射能量被分散到四個對角線區域, 同時在鼻錐方向的反射能量較小, 說明在y極化下,設計天線陣的RCS減縮是基于相位對消.

基于以上分析可知, 設計天線陣具有較好的輻射和散射性能. 此外, 就本文所設計天線陣的輻散射性能和物理尺寸與其他文獻[17—20]中報道的低散射微帶天線陣進行了比較, 結果如表1所列, 表中λ表示天線諧振點處對應的波長. 通過與已有文獻相比可知, 本文所設計天線陣的規模相對較大,陣元間隔較小; 單元組陣后, 陣列的尺寸相對較小;能保持較好的輻射性能, 帶內的散射性能同時得到了有效改善; 且采用了輻射散射一體化設計思想,易于實現.

圖9 仿真天線陣輻射性能 (a) |S11|; (b) 增益; (c) 5.8 GHz 處 xoz 面輻射方向圖; (d) 5.8 GHz 處 yoz 面輻射方向圖Fig.9. Simulated radiation properties of proposed antenna array: (a) Reflection coefficients |S11|; (b) gain; two-dimensional radiation patterns at 5.8 GHz for (c) xoz plane; (d) yoz plane.

圖10 電磁波垂直入射時天線陣單站 RCS (a) x 極化; (b) y 極化Fig.10. Simulated scattering properties of antenna array under normal incidence: (a) x-polarization; (b) y-polarization.

圖11 電磁波斜 30°入射時天線陣鏡像雙站 RCS (a) x 極化; (b) y 極化Fig.11. Simulated specular scattering properties of antenna array for incident angle of 30°: (a) x-polarized incidence;(b) y-polarized incidence.

圖12 5.8 GHz 處三維散射圖 (a) x 極化下金屬板; (b) x 極化下天線陣; (c) y 極化下金屬板; (d) y 極化下天線陣Fig.12. Three-dimensional scattering patterns of total RCS at 5.8 GHz under x-polarized incidence for (a) metal board and(b) antenna array; under y-polarized incidence for (c) metal board and (d) antenna array.

表1 本文所設計的低散射微帶天線陣與文獻[17?20]中的對比Table 1. Comparison between this work and other antenna arrays in Ref. [17?20].

4 加工實測

為了驗證所設計天線陣的輻散射特性, 制作了天線陣的實物樣件, 如圖13(a)所示. 采用一個一分二的功分器與兩個一分八的功分器相連接給每個天線單元進行饋電, 利用矢量網絡分析儀(Agilent N5230C)在微波暗室中測試天線的輻射性能. 將兩個1—18 GHz的喇叭天線分別作為收發天線, 與矢量網絡分析儀相連, 用來測試天線陣的散射性能. 天線陣的散射測試環境如圖13(c)所示, 泡沫作為支撐結構, 實物樣件和喇叭處于同一水平線, 兩喇叭之間放置吸波材料減小耦合.

圖13 陣列天線實物及測試配置圖 (a) 天線陣實物; (b) 功分器; (c) 散射測試環境Fig.13. Fabricated sample of antenna array and testing environment: (a) Sample; (b) one in two power divider RS2W2080-S and one in eight power dividers RS8W2080-S; (c) testing environment for scattering performance.

圖14 實測天線陣的輻射特性 (a) |S11|; (b) 5.8 GHz 處 xoz 面輻射方向圖; (c) 5.8 GHz 處 yoz 面輻射方向圖Fig.14. Measured radiation properties of antenna array: (a) Measured reflection coefficients |S11|; two-dimensional radiation patterns at 5.8 GHz for (b) xoz plane; (c) yoz plane.

圖14給出了實測的天線陣|S11|和在5.8 GHz處的方向圖. 可以看出, 陣列單元均諧振在5.8 GHz處, 諧振帶寬相差較小, 實測輻射方向圖與仿真方向圖近乎重合, 設計的天線陣列具有良好的輻射性能. 圖15(a)給出了天線陣在垂直入射時相較于等大小金屬板的RCS減縮量.x極化下, 天線陣在天線工作頻帶內實現了6 dB以上的RCS減縮, 最大減縮量達13.8 dB.y極化下, 天線陣在5.3—7.1 GHz范圍內實現了6 dB以上的RCS減縮. 在斜入射30°時, 實測的鏡像雙站 RCS 如圖 15(b)所示, 天線陣在任意極化波斜入射時, 仍具有良好的反射抑制特性. 實測結果驗證了設計方法的有效性.

5 結 論

本文在設計微帶天線陣時, 同時考慮其輻射性能和散射性能, 天線單元本身具有與EMS單元相似的物理結構, 故將天線單元同時作為EMS單元分析了其反射特性. 將兩種工作在同一模式、同一頻段的單元結構以棋盤布陣的形式構造4 × 4微帶天線陣, 利用單元之間的有效相位差降低陣列天線的RCS, 仿真結果與實測結果驗證了陣列的低散射特性. 本文的研究有效解決了微帶天線陣輻射和散射難以兼顧的矛盾, 在陣列規模擴大時, 采用棋盤布陣方式仍可實現較好的RCS減縮效果, 同時為其他形式低散射天線陣的設計提供了一種新的思路.

圖15 RCS 減縮量 (a) 入射波垂直入射; (b) 入射波斜 30°入射Fig.15. RCS reduction in contract to metal board for incident angles of (a) 0° and (b) 30°.