關于一種超寬帶低雷達散射截面天線的設計與研究

0 引言

隨著現代化軍事的發展，特別是雷達技術的發展，軍事探測技術與隱身技術得以迅猛發展，目標的隱身性能成為其提高生存能力和突防能力的關鍵因素，也是在現代戰爭中能夠實現先發制人的重要條件。隱身技術在現代電子對抗中起著十分重要的地位，可以降低軍用目標的雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS），減小被發現的幾率，使敵方電子探測系統和武器平臺降低戰斗效果。隨著平臺的雷達散射截面縮減，平臺上天線的雷達散射截面成為了制約平臺隱身的瓶頸。因此，盡可能控制天線的散射特性顯得越來越重要。目前常見的降低天線RCS的技術有文獻[1-3]提出開槽結構用于降低天線的RCS，文獻[4-5]利用EBG結構改善天線的雷達散射截面積，文獻[6-7]通過改變天線輻射部分的結構來實現低RCS特性，文獻[8-9]研究了頻率選擇表面用于降低天線的RCS等。這類解決方法簡捷，成本低廉，操作容易，因此具有重要的研究價值。

本文研究了一種超寬帶低雷達散射截面積的全金屬天線，采用全金屬Vivaldi作為輻射單元，通過利用一種新型的頻率選擇表面結構來降低工作頻段內的雷達散射截面積。通過改變金屬層開槽寬度和中間結構的寬度，可以調整頻率選擇表面工作頻段的帶寬及中心頻點位置。從而，實現不同頻段的天線雷達散射截面積降低。

1 天線的結構

1.1 參考天線

參考天線的幾何形狀如圖1所示。從圖1(a)可以看出，天線的輻射部分采用全金屬Vivaldi結構。Vivaldi結構基于指數型漸變槽線天線的變體，其特征在于寬頻帶，高增益且具有高純度的線極化特性。參考天線由沿著x軸方向延伸8 mm的Vivaldi平面組成。天線采用50 ?贅同軸適配器作為饋電，嵌入在輻射單元的內部。為了增強天線沿z軸方向的輻射強度，天線被垂直安置在底板上。本文采用HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟件仿真得到相關數據。標注有詳細物理尺寸的參考天線的側視圖和前視圖如圖1(a)和圖1(b)所示。

1.2 幾何成型技術

金屬表面是天線整體雷達截面（RCS）的主要影響因素。因此，減少天線的金屬面積是減少雷達截面（RCS）的重要方法之一。在本文中，幾何成型技術被用于減少天線的金屬面積。它的基本原理是除去天線表面能量分布最弱的金屬區域。參考天線分別在5.1 GHz、10 GHz、13.5 GHz不同頻率點的表面電流分布情況如圖2所示。從圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)中可以看出，在參考天線不同位置處的電流幅度不等，一些地方的電流幅度相對于其他地方非常小?；诒砻骐娏鞣植记闆r，除去能量分布稀疏的金屬區域，如圖3所示。在圖4中，給出了天線的電壓駐波比（VSWR）參數?？梢园l現，該操作對天線性能的影響非常小，而天線的金屬面積卻可以得到顯著縮小。

2 新型FSS結構

與此同時，文章提出了一種新型的頻率選擇表面(FSS)結構來改善天線的隱形效果，利用FSS結構替代天線的底板。如圖5(a)所示，該FSS結構由三層周期性平面結構和雙層介質組成，頂層金屬結構和底層金屬結構相同，其長度和寬度分別為Dx和Dy，米字型縫隙寬度為W1和W3，中間層金屬結構寬度為W2。FSS具有很寬的帶通特性，可以吸收撞擊在天線上的外部電磁場能量。介質層采用相對介電常數為4.4的FR4-環氧樹脂絕緣板，厚度為0.8 mm。FSS結構的具體尺寸如圖5(b)所示，將參考天線的底板換為FSS結構后的三維結構如圖6所示，改進后天線的參數如表1所示。

2.1 通帶的帶寬可調

通過僅改變中間層金屬結構的縫隙寬度W2，可以調節FSS結構的通帶帶寬，從而實現頻帶寬度的可控。它可以用于降低天線在不同工作頻率下的RCS。該FSS結構的傳輸系數如圖7所示?？梢杂^察到，該FSS結構的通帶帶寬隨著中間層金屬結構的縫隙寬度變化而改變。

2.2 通帶的帶寬可平移

除了通過改變中間層縫隙寬度來調節通帶帶寬以外，通帶的帶寬也可以通過同時改變三層金屬結構的縫隙寬度(W1，W2，W3)進行平移。該FSS結構的縫隙寬度(W1，W2，W3)從0.15 mm到0.62 mm的模擬結果如圖8所示。從圖中可以看出，該FSS結構的通帶帶寬在三層金屬結構的同時作用下發生了平移。

3 低雷達散射截面的天線

為了進一步降低改進后天線的RCS，將參考天線的接地面替換成上述FSS結構。該FSS結構具有很寬的帶通特性，可以屏蔽外部電磁場能量的干擾。同時，天線仍能夠保持良好的輻射性能。

3.1 天線的輻射特性

首先分析天線的輻射性能。保持天線的輻射性能是RCS縮減技術中的關鍵。天線的電壓駐波比(VSWR)參數如圖9所示?？梢园l現其工作頻帶與參考天線保持良好一致。天線在頻率點5.1 GHz、10.0 GHz、13.5 GHz下的輻射圖分析如圖10(a)、圖10(b)、圖10(c)所示。從圖10中可以看出，改進后的天線與參考天線的輻射圖幾乎一致。

3.2 天線RCS的縮減效果

其次，分析參考天線和改進后天線的RCS值。天線在中心頻率點（10 GHz）的雙站RCS值如圖11所示。從圖11中可以看出，在應用上述改進之后，天線RCS得到顯著降低。圖12比較了2種天線在5.1 GHz至13.5 GHz（90％相對帶寬）的寬頻帶中不同頻率點的RCS最大值。其中差距最大處RCS降值達15 dB。根據上述結果，本文所提出的天線在超寬工作頻帶中具有良好的隱形效果。

4 結論

本文提出一種超寬帶低雷達散射截面的全金屬Vivaldi天線，通過采用三層頻率選擇表面結構來實現隱身特性。經過對頻率選擇表面結構尺寸的調整，可以改變頻率選擇表面工作頻段的帶寬及中心頻點位置。從而，可以實現不同頻段的天線雷達散射截面積降低。通過仿真結果可以看出，該天線除了具有良好的隱身特性外，在輻射方向性上也表現出色。在保證天線輻射性能基本不變的前提下實現了天線RCS 的縮減，為不同頻段的天線RCS 縮減提供了設計思路，具有很大的研究意義。