一種具有寬帶雙極化低散射特征的微帶陣列天線

韓嘉良，賈 丹，韓國棟，杜 彪，趙澤康，劉亞昆

(中國電子科技集團公司 第54研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著信息化戰爭時代的快速到來，武器裝備隱身性能成為各國的重要發展領域[1]。天線作為武器裝備的重要組成部分，其雷達散射截面對武器裝備總的RCS(radar cross section)具有不可忽視的影響。微帶陣列天線具有重量輕、剖面低、易共形等優點，已廣泛應用于低可探測平臺，微帶陣列天線隱身設計已成為研究熱點。

天線隱身設計的方法主要有修形技術[2-3]、基于頻率選擇表面(FSS，frequency selective surface)的天線罩設計[4-6]、加載雷達吸波材料(RAM，radar absorber metamaterials)[7-8]和電磁超表面 (EMS，electromagnetic surface)[9-11]。其中，修形技術主要用于單元設計而難以直接應用于陣列修形。頻率選擇天線罩可降低陣列天線帶外RCS，而無法降低天線帶內RCS。超材料吸收體(MA，metamaterial absorber)[12]和極化轉換超表面[13-15]等方法可在較寬的頻帶上顯著降低陣列天線的RCS，但是該方法會增大天線的剖面高度且天線增益損失較大。通過人工磁導體 (AMC，artificial magnetic conductor)[16-20]對電磁波的特殊反射相位，可實現與傳統金屬結構的散射對消。將該無源散射對消思路應用于陣列天線設計中，通過使兩種結構不同的單元產生180°相位差可降低陣列天線的RCS[20-24]，該方法可在不改變天線尺寸的基礎上實現天線RCS縮減。

文獻[17]通過在縫隙耦合貼片天線單元周圍加載AMC結構，在6.4～21.7 GHz范圍內降低了天線的RCS，但單元天線的橫向尺寸約為波長的3倍。文獻[19]將三種AMC結構放置在一維微帶陣列天線下方，通過對三種AMC單元的布陣優化，在11.5～16.5 GHz 寬帶范圍內實現了 3 dB 以上的RCS減縮，但在未進行組陣的方向，其橫向尺寸遠大于1個波長。蘭俊祥等人[20]設計了一種在矩形輻射貼片上開弧形缺口的單元結構，與傳統微帶單元組成的陣列天線在5.6～6.2 GHz范圍內實現了6 dB以上的雙極化RCS減縮。賈永濤等人[21]設計了一種加載U型縫隙的新型單元，與傳統矩形貼片單元組成陣列天線雙極化RCS縮減帶寬66.7%。郝彪等人[22]設計了兩種上層貼片形狀相同、正交放置的微帶天線，利用遺傳算法將兩種天線單元進行非周期排布，雙極化RCS縮減帶寬41.6%。雖然上述研究對天線RCS減縮取得有效成果，但仍有改善和優化的空間。文獻[17]和[19]是將天線單元與AMC結構分開設計，AMC單元是直接用于單元天線的RCS縮減，通過降低單元的RCS來實現陣列RCS縮減，但是在天線單元周圍增加額外的AMC無源對消結構，會使得加載后天線單元橫向尺寸明顯增大，應用于陣列天線時由于天線單元間距增大會導致陣列天線掃描范圍受限。文獻[20-22]將陣列天線設計與散射對消結構設計融于一體，單元周期均約為半波長尺寸，解決了文獻[17]和[19]中存在的矛盾，采用兩種散射相位差180°的天線單元組成陣列天線，通過控制散射陣因子實現了陣列天線的RCS縮減。該散射對消方法可以在不改變陣列天線的單元間距和剖面高度的基礎上降低陣列天線的RCS，即具有較大的研究價值也具有極大的應用價值。但是通過設計兩種新型單元結構實現陣列天線的寬帶RCS縮減，設計過程及單元結構設計較為復雜，尚缺乏對寬帶對消單元設計方法的詳細研究。

針對上述問題，本文理論研究了基于兩種散射性能不同的單元組成陣列的RCS性能，分析了單元的散射幅度和相位對陣列RCS的影響，研究了影響單元相位曲線的因素。為了實現天線的寬帶輻射和寬帶RCS縮減，本文提出并設計了一種新型的天線單元結構，該結構的輻射性能與散射性能能夠進行獨立調控和綜合優化。通過在輻射貼片邊緣加載T型縫隙結構改變散射電流路徑，實現對散射相位的有效調控。該T型縫隙與傳統微帶貼片單元的散射性能可在寬頻帶內產生有效相位差，為陣列天線寬帶RCS縮減奠定基礎。將該新型單元與傳統微帶天線單元組成4 × 4陣列天線，當入射波極化與天線工作極化正交時，兩種天線單元的散射場反相而相互抵消；而當入射波極化與天線極化相同時，利用天線阻抗匹配對入射波的吸收可實現RCS縮減，最終實現了高效率輻射和寬頻帶雙極化RCS縮減。

1 散射對消理論分析

本文首先研究了由兩種散射性能不同的單元組成的陣列天線的散射性能，典型陣列結構如圖1所示。

圖1 由兩種單元組成的陣列天線結構示意圖

本文首先研究由兩種散射性能不同的單元組成的陣列天線的散射性能，典型的陣列天線結構如圖1所示。平面波照射下，兩種天線單元的電場反射幅度分別為A1和A2，電場反射相位分別為φ1和φ2，則兩種單元組成的陣列天線的總反射場可以寫為：

ES=A1ejφ1F1+A2ejφ2F2

(1)

式中，ES代表陣列天線的總散射場，F1和F2分別是兩個子陣的散射陣因子，表達式如下：

F1=ej(kx+ky)d/2+e-j(kx+ky)d/2

(2)

F2=ej(kx-ky)d/2+e-j(kx-ky)d/2

(3)

其中：x和y代表陣元位置，可寫為：

x=sinθcosφ

(4)

y=sinθcosφ

(5)

式中，θ和φ為入射波分別與水平面與垂直面的夾角，k=2π/λ，d為單元間距。

當電磁波垂直入射時，θ和φ均為0°，此時F1和F2的值為2，則式(1)可簡化為：

ES=2(A1ejφ1+A2ejφ2)

(6)

參考陣列天線由相同結構的單元組成，即所有單元的反射電場輻射和相位相同，各單元的反射幅度滿足A=A1=A2，反射相位滿足φ1=φ2，則參考陣列天線的總散射場E0可寫為：

E0=4Aejφ1

(7)

與傳統微帶陣列天線相比，對于由兩種不同單元組成的同規模陣列天線，其RCS縮減量要到達βdB，需要滿足以下條件：

10×log(|ES|2/|E0|2)=-β

(8)

當兩種單元的反射幅度不同時，設反射幅度比為γ=A1/A2，將式(6)、(7)代入式(8)中，得到任意幅度比和相位差情況下，RCS縮減量要高于βdB的條件為：

|ejφ1+ejφ2|2=1+γ2+2γcos(φ2-φ1)≤4×10-β/10

(9)

如果要求RCS縮減量要到達10 dB(β=10)，可得：

|ejφ1+ejφ2|2=1+γ2+2γcos(φ2-φ1)≤0.4

(10)

下面給出兩種特殊情況的分析：

1)當兩種單元反射幅度相同，即A=A1=A2，可得兩種單元的相位差滿足：

140°≤|φ1-φ2|≤217°

(11)

即當兩單元的反射相位差在143～217°之間時，RCS縮減量高于10 dB，該相位差稱為有效相位差。

2)當兩種單元反射相位相反(即相位差為180°)，即φ1=φ2+π，可得兩單元的幅度比滿足：

γ=A1/A2≥0.37

(12)

即當兩單元的反射幅度比大于0.37，即反射幅度差小于4.32 dB時，RCS縮減量高于10 dB，該幅度比稱為有效幅度比。

綜上分析可知，對于天線同極化的帶外RCS縮減和交叉極化RCS縮減，兩種單元的反射幅度基本相同，因此，決定陣列天線RCS縮減帶寬的主要是兩個單元散射的有效相位差帶寬。

2 寬帶有效相位差的天線單元設計

2.1 新型修形單元結構設計

隨著現代通訊事業迅速發展，C波段微帶天線在雷達、廣播、導航、衛星及無線通信等領域應用的優勢愈發明顯，本文在基于有限元法的商用電磁仿真軟件中建模并設計了工作在C波段的微帶天線，以C波段陣列天線為例開展陣列天線RCS縮減技術研究。為了實現陣列天線的散射對消，通常需設計兩種結構不同的天線單元。為了提高設計效率，本文研究通過設計一種新型單元，使其與傳統微帶單元的散射形成寬帶有效相位差，實現陣列天線的寬帶、雙極化RCS縮減。

通過對輻射貼片邊緣修形可以調控散射電流路徑，從而實現對散射相位的調控。以矩形微帶貼片為例，如圖2(a)所示，對于y極化平面波照射情況下的RCS縮減，可在輻射貼片平行于y軸的邊緣進行修形，例如加載矩形槽、邊緣弧形槽，如圖2(a)所示。以邊緣加載矩形槽、邊緣弧形槽的天線單元結構為例，本文研究了不同修形結構的散射相位性能，分析其在寬帶范圍內的相位曲線特點。傳統微帶貼片天線單元與矩形槽、邊緣弧形槽的天線單元的散射相位隨頻率的變化曲線如圖2(b)所示，從圖中的反射相位仿真可以看出，傳統微帶天線(稱為單元A)的相位隨頻率呈非線性變化，而加載矩形槽、邊緣弧形槽的兩種修形單元的反射相位在高頻處呈線性變化，僅在3.4～4.3 GHz頻段內與傳統微帶天線單元的反射相位滿足180°±37°的有效相位差。通過理論分析可知，這兩種結構難以實現寬頻帶散射對消。

為了使修形單元與傳統微帶貼片單元間形成寬帶有效相位差，本文提出在輻射貼片上加載T型縫隙(稱為單元B)，在y極化平面波照射下，T型縫隙可增加散射電流的等效電長度，使得y極化波的反射相位向低頻移動，且兩種單元的相位曲線變化曲率基本一致，如圖2(b)所示。因此，單元B與單元A之間可以形成寬帶有效相位差，從而使得組陣后的陣列天線可以實現寬頻帶RCS縮減。

圖2 四種貼片修形微帶天線單元

為了進一步說明T形縫隙對散射電流的調控機理，使用主從邊界條件和Floquet端口激勵對單元A和單元B輻射貼片上所激勵出的散射電流進行仿真分析，頻率4 GHz的y極化平面波垂直照射的情況下的散射電流分布仿真結果如圖3所示。從圖中可以看出，單元B輻射貼片上的電流路徑比單元A輻射貼片上的電流路徑長，因此，單元B的散射諧振頻率會向低頻移動，從而與單元A之間產生相位差。通過調節T型縫隙的長度可實現對單元B的y極化散射相位的調控，同時通過優化饋電點位置、饋電貼片長度和地板上的縫隙尺寸，使得單元A與單元B工作在相同頻段的同時，實現寬頻段有效反射相位差。

圖3 單元A和單元B輻射貼片表面的散射電流分布

為了實現陣列天線的寬帶輻射和寬帶雙極化RCS縮減的一體化設計，本文提出在輻射貼片上加載T形縫隙結構，并通過耦合饋電方式實現對天線單元輻射性能和散射性能的獨立調控，單元A和單元B的結構如圖4所示。單元A和單元B的天線結構相似，均由三層結構組成。下層為金屬地板結構，金屬地上刻蝕有矩形長縫隙；中層介質板采用聚四氟乙烯(介電系數為2.2，介質損耗為0.009)，長方形金屬貼片與SMA饋電結構連接，通過L型探針對上層貼片進行耦合饋電；單元A上層為矩形貼片，單元B上層貼片上加載T型縫隙。

圖4 天線單元A和單元B結構示意圖

圖5 主要結構參數對單元天線輻射與散射性能的影響分析

為了分析單元B的結構參數對其輻射和散射性能的影響，在單元B加載50 Ω匹配負載情況下，使用主從邊界條件和Floquet端口激勵對兩種單元的反射特性進行仿真計算。通過全波仿真分析計算了T形縫隙長度wda、饋電貼片長度lma、饋電位置da、地板縫隙長度lsa等主要參數對阻抗匹配性能和y極化平面波反射性能的影響，結果如圖5所示，圖中給出了S11和反射相位隨參數的變化曲線。從圖5(a)中可以看出，隨著T形縫隙長度wda的增加，輻射諧振頻點逐漸向低頻輕微移動，反射相位向低頻發生明顯偏移。從圖5(b)中可以看出，饋電貼片長度lma的改變對反射相位影響很小，同時隨著lma的增加，諧振頻率沒有變化，阻抗匹配程度變得更好。從圖5(c)中可以看出，饋電位置da的改變對反射相位影響很小，同時隨著da的增加，駐波頻點逐漸向高頻移動。從圖5(d)中可以看出，地板縫隙長度lsa的改變對反射相位影響很小，隨著地板縫隙長度lsa的增加，駐波頻點逐漸向低頻移動。通過對以上參數分析可知，輻射貼片上的T型縫隙結構既影響其輻射性能也影響其散射性能，金屬地板上的矩形長縫隙以及L型饋電結構主要用于調控單元的阻抗匹配特性，對散射幅度和相位影響基本可忽略。經過上述分析可知，T型縫隙大小是影響天線反射特性的關鍵參數，饋電結構與地板開槽長度參數是影響天線輻射特性的關鍵參數。因此，本文提出的單元結構可實現對輻射性能和散射性能的獨立調控，可通過優化T形縫隙尺寸，使得單元B和單元A在交叉極化入射平面波照射下的反射相位相差180°，并通過對兩單元饋電結構及地板開槽長度進行優化，使單元A和單元B兩單元的工作頻段重合。

2.2 寬帶散射對消單元的輻射性能和散射性能分析

通過上述分析可知，首先通過對T型縫隙的尺寸優化，可實現寬頻段范圍內的有效反射相位差。在保證散射性能的寬帶有效相位差基礎上，通過優化金屬地板上的矩形長縫隙和L型饋電結構的尺寸實現對輻射性能的調控，使得單元B與單元A的諧振頻段重合，因此，本文的天線結構可實現輻射性能和散射性能的單獨調控以及綜合優化。通過優化得到兩種天線單元的詳細結構尺寸，尺寸參數如表1所示。

表1 天線主要尺寸參數

經過優化設計，單元A和單元B的駐波(S11)及輻射方向圖仿真結果如圖6所示。兩種天線單元的諧振頻率均約為4 GHz，在3.38～4.46 GHz(相對帶寬27.6%)頻段內，單元A的S11小于-10 dB；在3.64～4.18 GHz(相對帶寬13.8%)頻段內，單元B的S11小于-10 dB，兩種天線單元的共同工作帶寬為3.64～4.18 GHz，相對帶寬為13.8%。圖6(b)給出了兩種天線單元在諧振點4 GHz的輻射方向圖，兩種天線單元的xoz面輻射方向圖和yoz面輻射方向圖基本一致，因此，在陣列天線輻射時可將兩種單元看作相同陣元。

圖6 單元A和單元B的輻射性能仿真結果

在周期性邊界條件下計算了兩種單元對垂直入射平面波的反射性能，結果如圖7所示。x極化平面波垂直照射情況下，在天線工作頻段及其附近頻段，由于天線的阻抗和極化匹配，入射波部分能量被天線元件吸收，所以其反射幅度較小，如圖7(a)所示。y極化平面波垂直照射情況下，兩種單元反射幅度基本相同，在3.5 Hz～7 GHz范圍內產生有效反射相位差(180°±37°)，如圖7(b)所示，為組陣后陣列天線 RCS 縮減奠定基礎。

圖7 單元A和單元B的散射性能仿真結果

為了快速分析單元A和單元B組成陣列天線的散射性能，將兩種單元的反射特性(反射幅度與反射相位)代入式(9)，計算得到兩種單元組成的陣列天線的RCS理論縮減值，RCS縮減值計算結果如圖8所示。從計算結果可以看出，對于y極化平面波，陣列天線在3～7 GHz頻段內實現了寬帶RCS縮減，這來源于兩種單元的寬帶散射對消；在3.8 GHz與6.3 GHz頻點處，由于兩種單元的反射相位差為180°，因此，在這兩個頻點產生RCS縮減極大值點。對于x極化平面波，在天線工作頻內，由于天線阻抗匹配，入射波部分能量被天線吸收，因此其RCS縮減主要來源于對入射電磁波的吸收；在4.2 GHz與5.6 GHz頻點單元A與單元B的反射相位差約為180°，因此在這兩個頻點附近，出現了RCS縮減的極大值點。

圖8 陣列天線RCS縮減理論值計算結果

3 寬帶雙極化低散射微帶陣列天線設計

3.1 基于兩種散射對消單元的陣列布陣設計

將單元A和單元B組成4×4陣列天線，在陣列規模有限的情況下，陣中單元并于處于嚴格的周期性環境，陣中單元A和單元B的散射性能會發生變化，因此，陣列天線的RCS與理論RCS存在一定的差距。本節通過研究不同組陣形式對陣列天線RCS的影響，設計出適合本文天線單元的組陣形式。

規模為4×4陣列的典型組陣形式有AABB、ABAB、BAAB、棋盤結構等，如圖9所示。陣列1在x軸方向上由結構相同的天線單元組成，在y軸方向上天線單元A與天線單元B以AABB的方式排布；陣列2在x軸方向上由結構相同的天線單元組成，在y軸方向上天線單元A與天線單元B以BABA的方式排布；陣列3在x軸方向上由結構相同的天線單元組成，在y軸方向上天線單元A與天線單元B以BAAB的方式排布；陣列4中的天線單元A與天線單元B以棋盤布陣的組合方式排布。

圖9 不同組陣形式的陣列天線結構示意圖

分別對組陣形式為AABB、ABAB、BAAB、棋盤結構的陣列天線的RCS進行仿真計算，結果如圖10所示。圖中給出了3～7 GHz頻段內，不同組陣形式的陣列天線的y極化RCS以及相同尺寸的金屬板的y極化RCS。從圖中可以看出，與金屬板相比，四種組陣形式的陣列天線均實現了寬帶RCS縮減，但是組陣形式對4×4陣列天線的RCS影響明顯。組陣形式為AABB、ABAB、BAAB、棋盤結構的陣列天線在在3～7 GHz頻段內的RCS縮減均值分別為7.3 dB、5.9 dB、7.7 dB、6.8 dB，其中組陣形式為BAAB的陣列天線 RCS縮減均值最大，且在天線工作頻段內的RCS縮減值最大，因此本文陣列天線采用BAAB的組陣形式。

圖10 不同組陣形式陣列天線的y極化RCS仿真結果

3.2 寬帶雙極化低散射微帶陣列天線散射性能和輻射性能分析

當入射平面電磁波垂直照射到設計陣列天線時，分別計算了x極化和y極化電磁波的RCS，單站RCS仿真結果如圖11所示，圖中分別給出了設計陣列天線和相同尺寸金屬板的單站RCS。從圖中可以看出，當x極化平面波照射時，設計陣列天線的RCS減縮帶寬為3～7 GHz，平均RCS縮減值為6.6 dB，在4.1 GHz頻點處達到最大RCS減縮，縮減值為16.3 dB；在工作頻帶(3.64～4.18 GHz)內RCS平均縮減值為14.1 dB。x極化平面波下的陣列天線的帶內RCS縮減主要來源于兩種天線單元對電磁波的吸收作用，帶外RCS縮減主要來源于兩種天線單元的吸收作用，同時在5.6 GHz頻點，兩種單元反射相位差為180°，因此無源散射對消對帶外RCS縮減也產生了一定作用。當y極化平面波照射時，在3.3～7 GHz頻段實現了RCS減縮，平均RCS減縮值為7.7 dB，在4.15 GHz頻點處達到最大RCS縮減，縮減值高達36.3 dB；在工作頻帶(3.64～4.18 GHz)內RCS平均縮減值高達17.6 dB；陣列天線對y極化平面波的RCS縮減來源于兩種單元形成的無源散射對消。

結合公式推導及陣列天線的全波仿真結果可以看出，基于散射對消技術的陣列天線要實現寬帶RCS縮減，在相應帶寬內需要產生多個RCS縮減極值點，即通過多個散射對消諧振的方法可實現陣列天線寬頻帶RCS縮減。同時，要實現陣列天線寬帶雙極化RCS縮減，對于天線的交叉極化RCS縮減，需要兩種單元產生寬帶有效散射相位差；對于同極化RCS縮減，在天線吸波作用的基礎上，兩種單元還要在帶外具有有效相位差，通過吸波和散射對消兩種措施實現同極化電磁波的寬帶RCS縮減。

為了直觀地說明散射對消方法降低陣列天線RCS的機理，圖12給出了在y極化平面波垂直入射時4 GHz頻點的三維散射方向圖。從圖中可以看出，金屬地板呈強鏡面反射，其散射方向圖在垂直方向呈最大值。設計陣列天線的散射方向圖呈中心凹陷的形態，即在垂直入射方向的RCS值較小，散射峰值集中在低仰角角域。這是由于陣列天線中的不同單元對y極化電磁波波的散射相位差180°，使得設計陣列天線產生了散射對消，散射峰值被轉移至非探測角域，使得陣列天線的單站RCS實現了有效減縮。

圖12 金屬板和設計陣列的三維散射方向圖仿真結果

將設計陣列天線中的16個天線單元進行等幅同相饋電，陣列天線的輻射方向圖仿真結果如圖13所示。從圖中可以看出，設計陣列天線與參考陣列天線的輻射方向圖基本一致，增益下降小于0.1 dB。

圖13 設計陣列天線和參考陣列天線的輻射方向圖仿真結果

綜上分析可知，本文設計的陣列天線具有較好的輻射和散射性能。將本文設計陣列天線的輻射性能和散射性能與其他文獻中的低散射微帶陣列天線進行了對比，如表2所示。從表中可以看出，本文所設計的陣列天線在保持寬帶輻射(相對帶寬14.6%)的前提下，實現了交叉極化在71.8%帶寬內的RCS縮減和同極化在80%帶寬內的RCS縮減，雙極化RCS縮減帶寬優于其他論文結果；特別是RCS縮減6 dB 的帶寬相較其他論文有了明顯擴寬；工作頻帶內的RCS縮減均值也得到了一定的提升。本文提出的低散射陣列天線采用一種新型天線單元即實現了寬帶低RCS縮減，與其他論文的設計相比，其輻射的工作帶寬較寬，雙極化RCS縮減帶寬較寬，為低散射陣列天線設計提供了新的思路。

表2 本文設計的低散射微帶陣列天線與文獻[20-23]中設計陣列天線性能對比表

4 結束語

本文理論研究了由兩種散射性能不同單元組成的陣列天線的散射性能，研究了影響RCS縮減帶寬的因素；提出一種新型單元結構，可實現對微帶天線的輻射性能與散射性能的獨立調控；提出在輻射貼片上加載T形縫隙，通過對一種單元修形即在寬頻段內實現散射的有效相位差；將T形縫隙單元和參考單元組成4×4陣列天線，研究了不同組陣形式對陣列RCS的影響。設計陣列天線在3.64～4.18 GHz(相對帶寬13.8%)頻段內具有良好的輻射性能，與參考天線相比，增益下降小于0.1 dB。在3.3～7 GHz (相對帶寬71.8%)頻段內實現了交叉極化RCS縮減，在3～7 GHz (相對帶寬80%)頻段內實現了同極化RCS縮減。

綜上，本文清晰給出了散射對消陣列的設計過程，設計的新型微帶陣列天線兼具寬帶輻射性能和寬帶雙極化低RCS的優點，對低 RCS 陣列天線的設計有一定的借鑒意義，對微帶陣列天線在低可探測平臺的應用有一定的意義。本文工作仍有進步空間，通過對參考天線進行修形設計還可進一步提高陣列天線的RCS縮減帶寬和RCS縮減量值。