微带天线RCS的非全时减缩
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文章编号:100526122(2004)0120035205微带天线RCS的非全时减缩Ξ杨慧杰 龚书喜(西安电子科技大学天线与电磁散射研究所,西安710071)摘 要: 通过分析微带天线辐射和散射机理之间内在的联系,本文给出了统一的电路模型,利用该模型指出了RCS减缩和天线性能之间的矛盾,最后引出微带天线RCS非全时减缩的概念,并给出了两种简单而有效的方案。
关键词: 微带天线,RCS减缩,电路模型RCS R eduction T echnique out of Operation of Microstrip AntennasYang H uijie,G ong Shuxi(Institute of A ntenna and EM Scattering,Xidian U niversity,Xi’an710071)Abstract: By an analysis of radiation and scattering mechanism of microstrip antennas,a unified circuit model is de2 rived,on the base of which the contradiction of RCS reduction and antenna o peration is showed,finally the idea of RCS re2 duction out of operation is introduced and two and effective techniques are also given.K ey w ords: Microstrip antenna,RCS reduction,Circuit model引 言在电子战与信息战飞速发展的今天,一些国家已建立了地面、舰艇、机载和星载的一体化情报侦察体系,其侦察频带扩展到0.5～40GHz,覆盖了绝大多数的天线设备。
如何降低天线的雷达散射截面、使天线系统免受电子干扰、免遭敌方雷达的探测和攻击而有效地工作,不仅关系到天线系统的生命力,而且影响到其载体的电磁隐身性能,影响着天线载体的生存。
因此,开发和设计低雷达截面的机载天线系统具有十分重要的意义。
而微带天线有尺寸小、重量轻、成本低、易于扫描,并能与飞行器共形等许多优点,已越来越受到人们的重视,其用作飞行器低RCS(雷达截面)天线的前景十分广阔。
国内外许多学者在如何降低微带天线RCS这一方面做了许多研究工作,并提出了一些方案[1],但这些方案都是以牺牲天线性能或者增加成本和结构的复杂性为代价的;本文首先利用电路模型直观地解释了RCS减缩和天线辐射性能之间的矛盾,然后提出了非全时减缩的概念,并给出了两种实际的设计方案,从而在简单有效的基础上,实现了天线在非工作时段的RCS减缩,有效降低了天线受敌方雷达威胁的程度。
1 微带天线辐射和散射的电路模型无论是微带天线的辐射场还是散射场,均来自于贴片表面的感应电流。
我们总可以把贴片上的感应电流展开为J=∑∞n=1I n J n(1)按照腔模理论,我们可以选择磁壁谐振腔的各阶谐振模式作为基函数。
对于^x极化电流,J pqx=sinpπLx+L2cos qπWy+W2(2)对于^y极化电流J p′q′y=sinp′πWy+W2cos q′πLx+L2(3)坐标如图1所示。
式(1)～(3)对于辐射和散射都是适用的,只取决于贴片的尺寸。
由式(1),散射场可表示为第20卷第1期2004年3月 微 波 学 报JOURNAL OF MICROWAV ES Vol.20No.1 Mar.2004Ξ收稿日期:2003205227;定稿日期:2003210215 E s=∑∞n =1In E n(4)其中,E n 表示第n 个模式电流J n 产生的散射场。
图1 贴片坐标示意图由边界条件得-^n ×^E =^n ×^E i(对于贴片表面)(5) 把式(4)代入式(5),并选择权函数J m 作用于等式两边,得,-∑∞n =1I n∫∫SJ m・E nd s =∫∫SE i・J m d s , m =1,2,…(6)令Z m n =-∫∫SJ m・E nd s(7)V m=∫∫SE i・J md s (8)其中,E i 表示激励场,它对于辐射和散射有不同的意义和表达形式。
对于辐射而言,V m =∫∫SE P・J m d s =∫dJ P・E md z(9)J P 表示探针电流,E P 表示探针电流在贴片表面产生的场,d 表示介质厚度。
对于散射而言,V m =∫∫S(E inc+E P)・J m d s =∫∫S(E inc ・J m ds +∫∫S(E P ・J m d s =-4πjωμ0E 0・E m (θi ,<i )+∫dJ P ・E md z(10)Einc表示贴片不存在情况下的入射场,包括直射场以及由介质和接地板产生的反射场;J P 表示由于馈电端口不匹配而在探针上产生的反射电流,由J P 产生的远区场就是天线的模式项散射。
J P的表达式见文献[8],它是与天线的S 参数、端口负载、方向图因子和极化匹配因子有关的。
值得说明的一点是,因为散射是在宽频带内发生的,所以这里给出的4个参数与天线辐射状态下的对应参数不同;而是与频率有关的变量。
当负载匹配时,由式(10)得V m =-4πjωμ0E 0・E m (θi ,<i )(11)根据Z m n 和V m 的定义,式(6)可表示为Z m 1I 1+Z m 2I 2+…+Z m m I m +…=V m (12)把上式整理,得Z m m +Z m 1I 1I m +Z m 2I 2I m+…I m =V m (13)记作(Zm m +Z me )I m =V m(14)根据式(14),我们得到微带天线的电路模型,见图2。
图2 微带天线辐射和散射电路模型图2中V m 表达式见式(8)～(11),Z m n 表达式见式(7),注意这里Z m n 反映的是天线不同模式的谐振情况,与天线的输入阻抗不同。
Z r 为天线的辐射阻抗。
下面我们从电路的角度来简单分析一下微带天线的辐射和散射。
首先来看一下散射情况,散射一般发生在宽频带内,如果对于某一频点的入射波,贴片有一个模式电流(有时是两个)发生谐振,即Z m =Z m m +Z me 的虚部为0,使得|Z m |呈现较小的值(通常Z m 的虚部比实部变化剧烈),由图2可知,这时I m 将很大,贴片电流主要呈现I m 的形态,且幅值很大,这时,RCS 就会出现峰值。
通常在谐振点附近,只使用该频点所对应的单个谐振模式(有时是两个),就可以得到与实际RCS 吻合较好的结果,见文献[1]和[7]。
天线辐射时,通常是Z 1=Z 11+Z 1e 发生谐振(对于线极化天线而言)。
要保证良好的天线性能,就要使Z 1的谐振点位于指定的频点附近。
综上所述,我们可以得出结论,天线的辐射和散射机理在本质上是一致的,可以通过图2所示的电路和Z m n 把二者统一起来。
63 微 波 学 报 2004年3月2 微带天线RCS减缩的困难由上一部分的分析可知,要减小RCS的峰值点,可采取的措施有两个:一是增加损耗,降低I m 幅值;二是改变天线的谐振性,使Z m不发生谐振。
前者可以通过选择有耗的介质层或涂覆层,或者采用集总加载和分布式阻抗条带加载及其它方法实现;后者可以通过插入短路销钉或电抗性元器件及其它方式实现。
从辐射角度来看,增加损耗无疑也会减小天线的工作模式电流I1,而使增益大大降低。
另一方面,由式(7)可知,无论是辐射还是散射,表征天线谐振状态的Z m n是相同的,只取决于天线的尺寸和结构,那么,如果改变天线散射状态下的谐振性,无疑会使天线工作态下的谐振性也大大恶化。
3 微带天线RCS的非全时减缩由前面的分析可知,减缩RCS和保持天线工作性能始终是一对难以解决的矛盾,为了避开这个矛盾,这里提出了微带天线RCS非全时减缩的概念。
“非全时减缩”是指在微带天线上设置灵活的切换装置,使天线能在工作态和非工作态之间方便地切换。
在工作态时,天线能保持较高的增益和良好的方向图性能;在非工作态时,通过降低天线的电磁性能来达到减缩RCS的目的。
“非全时减缩”的关键是要做到非工作态下减缩效果明显,工作态下天线性能不变以及工作状态容易切换。
最后一点比较重要,它要求天线结构不能太复杂。
按照“非全时减缩”的想法,下面给出了两个简单而有效的天线结构。
(a)活动基片如图3所示,基片与接地板之间用一根或两根活动的绝缘杆分开(图中只画出了一根),天线馈电采用侧馈。
当天线工作时,拉下绝缘杆,天线与一般的微带天线结构相同,天线性能不受影响;当天线不工作时,撑起绝缘杆,这相当于在天线结构中加入了一层很厚的空气介质层,使得贴片与接地板之间的场大大减弱,天线的谐振性能降低,从而可以减小RCS的谐振峰值。
图4给出了介质与接地板之间加入空气层前后RCS的变化情况。
由图可以看出, RCS的峰值点没有了,减缩效果为5～10dB。
有必要说明的一点是,该减缩方案对于微带阵列是同样适用的。
图4的结果是用Ensemble软件(基于MOM)进行模拟的,两种情况都没有考虑馈电结构。
在模拟曲线①表示的情况时,认为天线具有两个介质层,一个为空气,一个为给定的介质层。
模拟中没有把绝缘杆的结构包括进去,因为它对场的影响很小。
(b)开关负载如图5示,在贴片与接地板之间引入一个开关负载,当天线工作时,使负载开路,工作模式电流不受影响;当天线不工作时,闭合开关,把负载接入电路,由于负载会干扰贴片上的感应电流,影响其谐振性,从而可以实现减缩目的。
负载接入点应该选择在贴片对角线上,使其能同时耦合到^x方向和^y方向的模式电流。
图中,(x P,y P)表示馈电探针接入的位置,(x S,y S)表示开关负载接入的位置。
图3 活动基片结构(天线结构如图3所示,L=3.66cm,W=2.6cm,d=0.158cm,εr=2.17,θ=60°,<=45°,曲线①表示h=1.5cm情况,曲线②表示h=0)图4 活动基片对RCS的减缩效果图5 开关负载结构示意图图6给出了用Ensemble软件模拟的结果。
由图可以看出,开关负载接在远离馈电点的地方,减缩73第20卷第1期 杨慧杰等:微带天线RCS的非全时减缩 效果较理想,RCS 峰值点可以减小10～28dB 。
另外,比较天线的辐射性能后发现,天线不接入开关负载时,谐振点为2.71GHz ,增益为6.2dB ;接入开关负载后,天线谐振点为2.68GHz ,只降低了1%,并且频率f =2.68GHz 处的增益为6.0dB ,频率f =2.71GHz 的增益为5.8dB ,只降低了0.4dB 。
