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減縮機理通信技術的發(fā)展使系統(tǒng)中的天線系統(tǒng)的要求越來越高。微帶天線越來越多地用于重量輕、輪廓低、制造方便等優(yōu)點。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。因此,各種對微帶天線RCS減縮方法的研究近年來正成為一個熱點。國內(nèi)外對微帶天線RCS減縮已經(jīng)提出了各種各樣的方法。一般來說,天線RCS減縮方案都會增加系統(tǒng)的復雜性,此外也會對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,損耗太大,將導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)實現(xiàn)RCS的減縮,但是在微帶天線四個角上加載電阻,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,必須考慮天線的輻射性能,否則即使實現(xiàn)天線RCS大幅度減縮,但是已不能作為天線使用,也是不實際的。本文通過分析微帶天線散射的基本原理和RCS減縮機理,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,實現(xiàn)了同頻率工作帶內(nèi)RCS較明顯的減縮,帶外RCS峰值點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仿真天線的散射通常包括兩部分:一部分是與散射天線負載情況無關的結構項散射場,它是由于入射平面波在天線結構上的感應電流或位移電流所產(chǎn)生的散射場,其散射機理與普通散射體的散射機理相同;另一部分則是隨天線負載情況而變化的模式項散射場,它是由于負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,這是天線作為一個加載體而特有的散射。無論是微帶天線的二次輻射還是散射,均來自于貼片表面的感應電流。假設微帶貼片表面產(chǎn)生的電流為ˉJJˉˉs,令→Js=Ιs→Jb(→r)(1)J?s=IsJ?b(r?)(1)其中→JJ?b(→rr?)是與來波無關的模函數(shù),幅度Is取決于來波的幅度和極化。假設來波為u極化,來波方向為(θ1,φ1),散射為v極化,方向為(θ2,φ2),根據(jù)文獻,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構項散射。在微帶貼片天線上開槽時,槽兩端的電流分流方向相反,因為微帶貼片天線可以看作是一個微帶傳輸線,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,從而改變雷達散射截面的大小。但是,開槽并不是簡單的阻抗加載,它還可以看作在減小原貼片鏡面反射的基礎上引入一個回波源,當散射波的相位與其它回波相位相反時,就達到減縮RCS的目的。通過仿真縫隙加載的微帶貼片天線發(fā)現(xiàn),與標準矩形貼片相比:貼片上開橫縫可以使諧振頻率降低,使部分頻率的RCS減小,縫隙越長頻率下降越多;貼片上開縱縫對諧振頻率沒有影響,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RCS的影響,當天線的阻抗實部相對天線總的阻抗比值減小時天線的RCS也就得到減縮。加載短路針相當于引入電納,可以增大阻抗的虛部,也就是減小阻抗實部對總阻抗的比值,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,結合貼片開縫來調(diào)整短路針的位置可以保持天線工作頻率不變。經(jīng)過計算發(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,進而影響到介質(zhì)中場的分布,因此能夠影響天線的諧振頻率和天線的RCS。仿真計算發(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天線的仿真結果本文所有的結果都是用時域有限差分法(FDTD)得到的。采用非均勻網(wǎng)格對微帶天線進行剖分,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進行剖分,使仿真結果更加準確,時間步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的短路針來代替,激勵源的選取:計算S11時用高斯脈沖電壓源,計算輻射遠場時用正弦激勵,計算RCS時用高斯脈沖平面波激勵。吸收邊界為完全匹配層(PML)。首先設計一個諧振頻率為2.9GHz的常規(guī)矩形微帶貼片天線:天線介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)εr=2.55,介質(zhì)基片厚度h=2.5mm,貼片長L=45mm,寬W=30mm,采用有限大接地板,其大小為113mm×75mm。貼片中心為坐標原點,饋電點位置為(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,此時饋電點位置為(0,-5.5),開縫加短路針天線與原標準矩形貼片天線的Sn對比圖如圖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變。為了觀察同極化下不同方向平面波入射時RCS的減縮效果,選取θ極化三個典型角度入射,入射角分別為θ=60°、φ=0°,θ=60°、φ=45°和θ=60°、φ=90°時,貼片開縫并加短路針天線與原標準矩形貼片天線的RCS對比如圖3所示,由圖可以看出:三個入射方向的帶內(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(圖3(c))在整個觀察頻段內(nèi)都有較明顯的減縮,減縮效果非常好,但是前兩個入射方向(圖3(a)、(b))都在4～5GHz之間出現(xiàn)了一個RCS峰值,這是由于貼片開縫加短路針使得天線的另一個諧振模式諧振在該頻段。雖然在貼片上開縫并結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°時在4～5GHz之間出現(xiàn)了一個比較高的峰值點,平面波的入射角為θ=60°、φ=45°時由圖3(b)可以看出在4～5.5GHz之間出現(xiàn)了比較高的峰值點高于-30dB。因此,進一步在接地板上開縫來使帶內(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37.5mm、寬1mm,兩探針與饋電點位置保持不變,此時天線的工作頻率仍為2.9GHz。經(jīng)過仿真計算發(fā)現(xiàn)在接地板上開縫與未開縫時比較,對天線的工作頻率和帶寬沒有影響,對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,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該方法對微帶天線RCS的減縮效果,選取極化三個典型角度入射,入射角分別為θ=60°、φ=0°,θ=60°、φ=45°和θ=60°、φ=90°時,該綜合方法與原標準矩形貼片天線的RCS對比如圖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)了一個凹陷,減縮了約5dB;帶外的RCS峰值點也都有一定程度的減縮。通過對比圖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,平面波的入射方向為θ=60°、φ=0°時(圖6(a)),6GHz附近的RCS峰值點已經(jīng)消失,平面波的入射角為θ=60°、φ=45°時(圖6(b)),4～5.5GHz之間出現(xiàn)較高的兩個峰值點也降到了-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,接地板開縫與不開縫時的RCS幾乎沒有變化,這與接地板上所開縫的形狀有關,入射角為θ=60°、φ=90°時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所示的縫對入射角為θ=60°、φ=90°時入射平面波的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減縮問題引起了越來越廣泛的關注,每種微帶天線RCS減縮方法在減縮RCS的同時都會對天線的輻射性能有不同程度的影響,