微帶天線rcs減縮方法研究

微帶天線rcs減縮方法研究

1微帶天線rcs減縮機(jī)理通信技術(shù)的發(fā)展使系統(tǒng)中的天線系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。微帶天線越來(lái)越多地用于重量輕、輪廓低、制造方便等優(yōu)點(diǎn)。然而，微帶天線的振幅特性在振幅頻率上表現(xiàn)出不可忽視的缺點(diǎn)。因此,各種對(duì)微帶天線RCS減縮方法的研究近年來(lái)正成為一個(gè)熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)微帶天線RCS減縮已經(jīng)提出了各種各樣的方法。一般來(lái)說(shuō),天線RCS減縮方案都會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,此外也會(huì)對(duì)天線的工作性能有影響,比如增益下降、頻率偏移、帶寬變窄等。Jackon提出增加介質(zhì)板損耗和覆蓋損耗介質(zhì)降低RCS的方法,雖然這種方法能有效降低微帶天線的RCS,但是以降低天線輻射效率和增益為代價(jià),損耗太大,將導(dǎo)致天線不能正常工作。分布式電阻加載可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)RCS的減縮,但是在微帶天線四個(gè)角上加載電阻,天線已經(jīng)不能有效的輻射電磁波了?？p隙加載雖然在很寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)RCS較大幅度的減縮,但是其帶寬損失較大。因此在考慮微帶天線RCS減縮的同時(shí),必須考慮天線的輻射性能,否則即使實(shí)現(xiàn)天線RCS大幅度減縮,但是已不能作為天線使用,也是不實(shí)際的。本文通過(guò)分析微帶天線散射的基本原理和RCS減縮機(jī)理,提出了一種綜合利用微帶貼片上縫隙加載、短路針加載及接地板開縫的微帶天線RCS減縮新方法。在增益和帶寬損失很小的情況下,實(shí)現(xiàn)了同頻率工作帶內(nèi)RCS較明顯的減縮,帶外RCS峰值點(diǎn)也都有一定程度的減縮,有效地在較寬的頻帶內(nèi)減縮了微帶天線的RCS。2微帶天線的散射波場(chǎng)仿真天線的散射通常包括兩部分:一部分是與散射天線負(fù)載情況無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射場(chǎng),它是由于入射平面波在天線結(jié)構(gòu)上的感應(yīng)電流或位移電流所產(chǎn)生的散射場(chǎng),其散射機(jī)理與普通散射體的散射機(jī)理相同;另一部分則是隨天線負(fù)載情況而變化的模式項(xiàng)散射場(chǎng),它是由于負(fù)載與天線不匹配而反射的功率經(jīng)天線再輻射而產(chǎn)生的散射場(chǎng),這是天線作為一個(gè)加載體而特有的散射。無(wú)論是微帶天線的二次輻射還是散射,均來(lái)自于貼片表面的感應(yīng)電流。假設(shè)微帶貼片表面產(chǎn)生的電流為ˉJJˉˉs,令→Js=Ιs→Jb(→r)(1)J?s=IsJ?b(r?)(1)其中→JJ?b(→rr?)是與來(lái)波無(wú)關(guān)的模函數(shù),幅度Is取決于來(lái)波的幅度和極化。假設(shè)來(lái)波為u極化,來(lái)波方向?yàn)?θ1,φ1),散射為v極化,方向?yàn)?θ2,φ2),根據(jù)文獻(xiàn),得散射截面公式:σuv=λ20π(Rs|Ζs|)2e2rGu(θ1?φ1)Gv(θ2?φ2)(2)其中er是物體輻射的效率,定義為輻射功率與輸入功率的比值er=Ρrb/(Ρrb+Ρdb)?zs=-<→Jb?→Jb>?Rs=Re{zs}?Gu(θ1?φ1)=4πΡu(θ1?φ1)/Ρrb表示增益。本文主要研究的是微帶天線的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射。在微帶貼片天線上開槽時(shí),槽兩端的電流分流方向相反,因?yàn)槲зN片天線可以看作是一個(gè)微帶傳輸線,所以這種電流突變可以等效為阻抗加載,它可以調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗及(Rs/|Zs|)2,從而改變雷達(dá)散射截面的大小。但是,開槽并不是簡(jiǎn)單的阻抗加載,它還可以看作在減小原貼片鏡面反射的基礎(chǔ)上引入一個(gè)回波源,當(dāng)散射波的相位與其它回波相位相反時(shí),就達(dá)到減縮RCS的目的。通過(guò)仿真縫隙加載的微帶貼片天線發(fā)現(xiàn),與標(biāo)準(zhǔn)矩形貼片相比:貼片上開橫縫可以使諧振頻率降低,使部分頻率的RCS減小,縫隙越長(zhǎng)頻率下降越多;貼片上開縱縫對(duì)諧振頻率沒(méi)有影響,但可以提高天線的增益。式(2)的因子(Rs/|Zs|)2表示散射體的阻抗特性對(duì)RCS的影響,當(dāng)天線的阻抗實(shí)部相對(duì)天線總的阻抗比值減小時(shí)天線的RCS也就得到減縮。加載短路針相當(dāng)于引入電納,可以增大阻抗的虛部,也就是減小阻抗實(shí)部對(duì)總阻抗的比值,因此能夠降低RCS。此外在矩形貼片中加載短路針,還可以使諧振頻率升高,結(jié)合貼片開縫來(lái)調(diào)整短路針的位置可以保持天線工作頻率不變。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在接地板上開縫與貼片開縫類似,也可以影響天線的諧振頻率以及天線的RCS,接地板開縫改變了接地板上電流的分布,進(jìn)而影響到介質(zhì)中場(chǎng)的分布,因此能夠影響天線的諧振頻率和天線的RCS。仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)橫縫主要是影響天線的工作頻率,而縱縫可以明顯地減縮帶內(nèi)RCS,所以在有限大接地板上開合適的縫可以有效地降低微帶天線帶內(nèi)的RCS。3天線的仿真結(jié)果本文所有的結(jié)果都是用時(shí)域有限差分法(FDTD)得到的。采用非均勻網(wǎng)格對(duì)微帶天線進(jìn)行剖分,基本網(wǎng)格尺寸為Δx=Δy=Δz=0.5mm,在貼片邊緣以及縫隙附近采用基本網(wǎng)格的1/2進(jìn)行剖分,使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確,時(shí)間步Δt與最小網(wǎng)格尺寸Δmin滿足Δt=Δmin/(√3×c)。同軸線用集中加載50Ω的短路針來(lái)代替,激勵(lì)源的選取:計(jì)算S11時(shí)用高斯脈沖電壓源,計(jì)算輻射遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)用正弦激勵(lì),計(jì)算RCS時(shí)用高斯脈沖平面波激勵(lì)。吸收邊界為完全匹配層(PML)。首先設(shè)計(jì)一個(gè)諧振頻率為2.9GHz的常規(guī)矩形微帶貼片天線:天線介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)εr=2.55,介質(zhì)基片厚度h=2.5mm,貼片長(zhǎng)L=45mm,寬W=30mm,采用有限大接地板,其大小為113mm×75mm。貼片中心為坐標(biāo)原點(diǎn),饋電點(diǎn)位置為(0,-12),此天線的帶寬約為4.4%,增益為7.75dB。3.1同極化下不同方向的rcs減縮效果根據(jù)對(duì)稱性原則在原貼片上開兩組縱縫、三組橫縫,如圖1所示。兩組縱縫的中心位置為(5.5,0)、(-5.5,0),,長(zhǎng)15mm、寬1mm,三組橫縫的中心位置為(10,7)、(10,0)、(10,-7)、(-10,7)、(-10,0)、(-10,7),長(zhǎng)8mm、寬1mm,在(-1,14.2)、(1,14.2)處各加一短路針,以保證該天線的諧振頻率為2.9GHz,此時(shí)饋電點(diǎn)位置為(0,-5.5),開縫加短路針天線與原標(biāo)準(zhǔn)矩形貼片天線的Sn對(duì)比圖如圖2所示,可以看出-10dB帶寬從4.4%減小到3.5%(減少了0.9%),而其最大增益基本沒(méi)變。為了觀察同極化下不同方向平面波入射時(shí)RCS的減縮效果,選取θ極化三個(gè)典型角度入射,入射角分別為θ=60°、φ=0°,θ=60°、φ=45°和θ=60°、φ=90°時(shí),貼片開縫并加短路針天線與原標(biāo)準(zhǔn)矩形貼片天線的RCS對(duì)比如圖3所示,由圖可以看出:三個(gè)入射方向的帶內(nèi)RCS都有一定程度減小,尤其是平面波入射角為θ=60°、φ=90°時(shí)(圖3(c))在整個(gè)觀察頻段內(nèi)都有較明顯的減縮,減縮效果非常好,但是前兩個(gè)入射方向(圖3(a)、(b))都在4～5GHz之間出現(xiàn)了一個(gè)RCS峰值,這是由于貼片開縫加短路針使得天線的另一個(gè)諧振模式諧振在該頻段。雖然在貼片上開縫并結(jié)合短路針加載能夠使微帶天線的帶內(nèi)RCS有一定程度的減縮,但是減縮效果不是很明顯。此外從圖3(a)可以看出平面波的入射角為θ=60°、φ=0°時(shí)在4～5GHz之間出現(xiàn)了一個(gè)比較高的峰值點(diǎn),平面波的入射角為θ=60°、φ=45°時(shí)由圖3(b)可以看出在4～5.5GHz之間出現(xiàn)了比較高的峰值點(diǎn)高于-30dB。因此,進(jìn)一步在接地板上開縫來(lái)使帶內(nèi)的RCS得到更明顯的減縮。3.2同極化下不同方向的rcs減縮效果在上面所描述的貼片開縫加短路針天線的接地板上開如圖4所示的三條縫,中心位置分別為:(28.25,-18.75)、(0,18.75)、(-28.25,-18.75),長(zhǎng)37.5mm、寬1mm,兩探針與饋電點(diǎn)位置保持不變,此時(shí)天線的工作頻率仍為2.9GHz。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)在接地板上開縫與未開縫時(shí)比較,對(duì)天線的工作頻率和帶寬沒(méi)有影響,對(duì)其輻射方向圖有一些影響,如圖5所示最大方向增益由7.55dB變?yōu)?.35dB,由圖5(a)還可以看出接地板開縫使得天線H面的后向輻射增強(qiáng),這也是天線最大增益減小的原因。為了觀察同極化下不同方向平面波入射時(shí)該方法對(duì)微帶天線RCS的減縮效果,選取極化三個(gè)典型角度入射,入射角分別為θ=60°、φ=0°,θ=60°、φ=45°和θ=60°、φ=90°時(shí),該綜合方法與原標(biāo)準(zhǔn)矩形貼片天線的RCS對(duì)比如圖6所示。由圖可以看出該天線在很寬的工作頻帶內(nèi)RCS減縮的效果都很明顯,一些入射方向的帶內(nèi)RCS在諧振頻率2.9GHz附近還出現(xiàn)了一個(gè)凹陷,減縮了約5dB;帶外的RCS峰值點(diǎn)也都有一定程度的減縮。通過(guò)對(duì)比圖6與圖3可以發(fā)現(xiàn),三種方法綜合比開縫短路針加載這兩種方法綜合更能有效地實(shí)現(xiàn)微帶天線RCS減縮,前者在一些入射方向上帶內(nèi)的RCS都有更明顯的減縮;前者比后者的帶外RCS也有一定程度減縮,平面波的入射方向?yàn)棣?60°、φ=0°時(shí)(圖6(a)),6GHz附近的RCS峰值點(diǎn)已經(jīng)消失,平面波的入射角為θ=60°、φ=45°時(shí)(圖6(b)),4～5.5GHz之間出現(xiàn)較高的兩個(gè)峰值點(diǎn)也降到了-30dB以下;而且前者增益僅比后者減少了0.2dB。但是對(duì)比圖6(c)與圖3(c)發(fā)現(xiàn)平面波的入射角為θ=60°、φ=90°時(shí),接地板開縫與不開縫時(shí)的RCS幾乎沒(méi)有變化,這與接地板上所開縫的形狀有關(guān),入射角為θ=60°、φ=90°時(shí)入射平面波剛好與接地板上的縫平行,因此接地板開如圖4所示的縫對(duì)入射角為θ=60°、φ=90°時(shí)入射平面波的RCS起不到減縮的效果,但是可以嘗試在接地板上在開與圖4中縫垂直的縫來(lái)減縮該入射方向上的RCS。4微帶天線rcs減縮算法微帶天線RCS減縮問(wèn)題引起了越來(lái)越廣泛的關(guān)注,每種微帶天線RCS減縮方法在減縮RCS的同時(shí)都會(huì)對(duì)天線的輻射性能有不同程度的影響,