【好设计论文】一种超宽带低雷达散射截面天线的设计与研究
摘要： 提出了一种超宽带低雷达散射截面积的全金属天线。该天线采用了全金属Vivaldi作为辐射单元，通过利用一种新型的频率选择表面结构来降低工作频段内的雷达散射截面积。此频率选择表面结构由三层周期性平面结构和双层介质构成，具有超宽带、带宽可控等特性。改变金属层的开槽宽度和中间结构的宽度，可以调整频率选择表面工作频段的带宽及中心频点位置，从而实现频率带宽可调，使其可以应用于天线不同工作频段雷达散射截面积的降低。
中文引用格式： 张青春，杨明武，姜兆能，等. 一种超宽带低雷达散射截面天线的设计与研究[J].电子技术应用，2018，44(6)：27-30.
英文引用格式： Zhang Qingchun，Yang Mingwu，Jiang Zhaoneng，et al. Design and research of an ultra-wideband metal antenna with low radar cross section[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(6)：27-30.
随着现代化军事的发展，特别是雷达技术的发展，军事探测技术与隐身技术得以迅猛发展，目标的隐身性能成为其提高生存能力和突防能力的关键因素，也是在现代战争中能够实现先发制人的重要条件。隐身技术在现代电子对抗中起着十分重要的地位，可以降低军用目标的雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS），减小被发现的几率，使敌方电子探测系统和武器平台降低战斗效果。随着平台的雷达散射截面缩减，平台上天线的雷达散射截面成为了制约平台隐身的瓶颈。因此，尽可能控制天线的散射特性显得越来越重要。目前常见的降低天线RCS的技术有文献[1-3]提出开槽结构用于降低天线的RCS，文献[4-5]利用EBG结构改善天线的雷达散射截面积，文献[6-7]通过改变天线辐射部分的结构来实现低RCS特性，文献[8-9]研究了频率选择表面用于降低天线的RCS等。这类解决方法简捷，成本低廉，操作容易，因此具有重要的研究价值。
本文研究了一种超宽带低雷达散射截面积的全金属天线，采用全金属Vivaldi作为辐射单元，通过利用一种新型的频率选择表面结构来降低工作频段内的雷达散射截面积。通过改变金属层开槽宽度和中间结构的宽度，可以调整频率选择表面工作频段的带宽及中心频点位置。从而，实现不同频段的天线雷达散射截面积降低。
1.1 参考天线
参考天线的几何形状如图1所示。从图1(a)可以看出，天线的辐射部分采用全金属Vivaldi结构。Vivaldi结构基于指数型渐变槽线天线的变体，其特征在于宽频带，高增益且具有高纯度的线极化特性。参考天线由沿着x轴方向延伸8 mm的Vivaldi平面组成。天线采用50 ?赘同轴适配器作为馈电，嵌入在辐射单元的内部。为了增强天线沿z轴方向的辐射强度，天线被垂直安置在底板上。本文采用HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件仿真得到相关数据。标注有详细物理尺寸的参考天线的侧视图和前视图如图1(a)和图1(b)所示。
1.2 几何成型技术
金属表面是天线整体雷达截面（RCS）的主要影响因素。因此，减少天线的金属面积是减少雷达截面（RCS）的重要方法之一。在本文中，几何成型技术被用于减少天线的金属面积。它的基本原理是除去天线表面能量分布最弱的金属区域。参考天线分别在5.1 GHz、10 GHz、13.5 GHz不同频率点的表面电流分布情况如图2所示。从图2(a)、图2(b)和图2(c)中可以看出，在参考天线不同位置处的电流幅度不等，一些地方的电流幅度相对于其他地方非常小。基于表面电流分布情况，除去能量分布稀疏的金属区域，如图3所示。在图4中，给出了天线的电压驻波比（VSWR）参数。可以发现，该操作对天线性能的影响非常小，而天线的金属面积却可以得到显著缩小。
与此同时，文章提出了一种新型的频率选择表面(FSS)结构来改善天线的隐形效果，利用FSS结构替代天线的底板。如图5(a)所示，该FSS结构由三层周期性平面结构和双层介质组成，顶层金属结构和底层金属结构相同，其长度和宽度分别为Dx和Dy，米字型缝隙宽度为W1和W3，中间层金属结构宽度为W2。FSS具有很宽的带通特性，可以吸收撞击在天线上的外部电磁场能量。介质层采用相对介电常数为4.4的FR4-环氧树脂绝缘板，厚度为0.8 mm。FSS结构的具体尺寸如图5(b)所示，将参考天线的底板换为FSS结构后的三维结构如图6所示，改进后天线的参数如表1所示。
2.1 通带的带宽可调
通过仅改变中间层金属结构的缝隙宽度W2，可以调节FSS结构的通带带宽，从而实现频带宽度的可控。它可以用于降低天线在不同工作频率下的RCS。该FSS结构的传输系数如图7所示。可以观察到，该FSS结构的通带带宽随着中间层金属结构的缝隙宽度变化而改变。
2.2 通带的带宽可平移
除了通过改变中间层缝隙宽度来调节通带带宽以外，通带的带宽也可以通过同时改变三层金属结构的缝隙宽度(W1，W2，W3)进行平移。该FSS结构的缝隙宽度(W1，W2，W3)从0.15 mm到0.62 mm的模拟结果如图8所示。从图中可以看出，该FSS结构的通带带宽在三层金属结构的同时作用下发生了平移。
为了进一步降低改进后天线的RCS，将参考天线的接地面替换成上述FSS结构。该FSS结构具有很宽的带通特性，可以屏蔽外部电磁场能量的干扰。同时，天线仍能够保持良好的辐射性能。
3.1 天线的辐射特性
首先分析天线的辐射性能。保持天线的辐射性能是RCS缩减技术中的关键。天线的电压驻波比(VSWR)参数如图9所示。可以发现其工作频带与参考天线保持良好一致。天线在频率点5.1 GHz、10.0 GHz、13.5 GHz下的辐射图分析如图10(a)、图10(b)、图10(c)所示。从图10中可以看出，改进后的天线与参考天线的辐射图几乎一致。
3.2 天线RCS的缩减效果
其次，分析参考天线和改进后天线的RCS值。天线在中心频率点（10 GHz）的双站RCS值如图11所示。从图11中可以看出，在应用上述改进之后，天线RCS得到显著降低。图12比较了2种天线在5.1 GHz至13.5 GHz（90％相对带宽）的宽频带中不同频率点的RCS最大值。其中差距最大处RCS降值达15 dB。根据上述结果，本文所提出的天线在超宽工作频带中具有良好的隐形效果。
本文提出一种超宽带低雷达散射截面的全金属Vivaldi天线，通过采用三层频率选择表面结构来实现隐身特性。经过对频率选择表面结构尺寸的调整，可以改变频率选择表面工作频段的带宽及中心频点位置。从而，可以实现不同频段的天线雷达散射截面积降低。通过仿真结果可以看出，该天线除了具有良好的隐身特性外，在辐射方向性上也表现出色。在保证天线辐射性能基本不变的前提下实现了天线RCS 的缩减，为不同频段的天线RCS 缩减提供了设计思路，具有很大的研究意义。
参考文献
[1] 李文强，曹祥玉，高军，等.一种新型开槽结构减缩微带天线RCS[J].微波学报，2011，27(4)：9-12.
[2] 张明旭，龚书喜，刘英.利用接地板开槽减缩微带贴片天线的RCS [J].电子与信息学报，2008，30(2)：498-500.
[3] 杨欢欢，曹祥玉，高军，等.一种减缩微带天线RCS的新型开槽结构[J].现代雷达，2012，34(9)：79-82.
[4] 白佳俊，石东，付云起.低RCS EBG波导缝隙阵列天线[J].国防科技大学学报，2015，37(1)：125-129.
[5] 景振毅，张光甫，王彬虎，等.基于EBG结构吸波材料在螺旋天线阵中的应用[J].微波学报，2010，26(2)：22-25.
[6] 李小秋，潘宇虎，牛宝君，等.低RCS相控阵天线设计[J].现代雷达，2011，33(7)：53-59.
[7] 洪涛，龚书喜，刘英，等.低雷达截面的超宽带双环单极子天线[J].现代雷达，2010，32(7)：70-74.
[8] LIU Y，HAO Y，WANG H，et al.Low RCS microstrip patch antenna using frequency-selective surface and microstrip resonator[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2015，14：1290-1293.
[9] Jia Yongtao，Liu Ying，Wang Hui，et al.Low RCS microstrip antenna using polarisation-dependent frequency selective surface[J].Electroonics Letters，2014，50(14)： 978-979.
作者信息:
张青春1，杨明武1，姜兆能1，2
卢笑池1，高 盛1，张 华3
1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥230009；
2.毫米波国家重点实验室，江苏 南京210096；
3.安徽动力源科技有限公司，安徽 宣城242199；