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Journal of Antennas
Vol. 09  No. 01 ( 2020 ), Article ID: 34768 , 12 pages
10.12677/JA.2020.91001

Research on RCS Reduction Method of Microstrip Antenna

Zongshan Wang1, Ning Lei2*

1School of Information Science and Engineering, Yunnan University, Kunming Yunnan

2College of Vocational and Continuing Education, Yunnan University, Kunming Yunnan

Received: Mar. 5th, 2020; accepted: Mar. 20th, 2020; published: Mar. 27th, 2020

ABSTRACT

In order to reduce the RCS of microstrip antennas, a novel microstrip patch antenna was designed to reduce the wideband radar cross section of the microstrip antenna while satisfying the antenna radiation performance. Based on this, a 3 × 3 AMC checkerboard structure is loaded, which further reduces the RCS and broadens the operating bandwidth of the microstrip antenna. Simulation results verify the feasibility and correctness of the design. It shows that the proposed method can significantly reduce the RCS of the microstrip antenna, and can greatly expand its operating bandwidth.

Keywords:Microstrip Antenna, RCS Reduction, Checkerboard Structure, Artificial Magnetic Conductor

微带天线RCS减缩方法的研究

王宗山1，雷宁2*

1云南大学信息学院，云南 昆明

2云南大学职业与继续教育学院，云南 昆明

收稿日期：2020年3月5日；录用日期：2020年3月20日；发布日期：2020年3月27日

摘 要

针对微带天线的RCS减缩问题，设计了一种新颖的微带贴片天线，在满足天线辐射性能的同时，减缩了微带天线的宽频带雷达散射截面。在此基础上，加载了3 × 3 AMC棋盘式结构，进一步实现了RCS的减缩，并拓宽了微带天线工作的带宽。仿真结果验证了设计的可行性和正确性，表明所提方法可以显著地减缩微带天线的RCS，并能够大幅拓宽其工作带宽，对微带天线的隐身技术有重要意义。

关键词 :微带天线，RCS减缩，棋盘结构，人工磁导体

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

微带天线是20世纪70年代以来逐渐发展起来的一种新型天线。微带天线有着体积小、重量轻、制造工艺简单、容易实现共形等多种优点，从而得到了广泛的应用 [1] [2]。近些年来，微带天线RCS的减缩问题是人们研究的热点问题 [3] [4]。RCS是衡量目标散射特性的重要参数，对于飞行器而言，RCS越小，飞行器的隐身性能越好，越不容易被地方探测 [5] [6]。因此天线RCS减缩控制对于实现电磁波隐身有决定性的作用，在强调军事强国的今天，天线RCS减缩的研究有重要的意义 [7]。对于RCS的减缩方法，可以归纳为三类：加载技术、改变天线基片和覆盖层技术、周期性结构技术。但是现存的这几种方法都有或多或少的缺点，并且在减缩RCS的同时，会影响天线辐射的条件 [8]。

针对这一问题，本文以微带天线的基本理论为基点，设计了一种新颖的微带天线，在满足天线辐射性能的同时，实现了RCS减缩的目的。

2. 天线散射分析

微带天线最早称作微带辐射器，主要分为微带贴片天线、微带振子天线、微带线性天线、微带缝隙天线四种类型 [9] [10]。早期由于软件和硬件方面的限制，微带天线难以运用到实际工程中，微带天线的研究没有被更多的关注，微带天线技术也就止步不前。直到上世纪70年代，在空间技术和微波技术取得发展的基础上，微带天线才实质性应用到工程实践当中 [11]。目前，微带天线在100 MHz到100 GHz的宽频段内得以广泛应用，涉及各行各业，雷达、遥感技术、电子对抗、武器引信、卫星通信、医用微波辐射等 [12]。天线的散射分天线结构模式项散射和天线模式项散射。天线结构模式项散射即在入射波照射

Figure 1. Antenna scattering physical model

图1. 天线散射物理模型

情况下，天线为理想匹配负载状态，散射机理与普通目标体散射原理一致；天线模式项散射即在入射波照射情况下，负载与天线阻抗不匹配，天线反射功率产生二次再辐射，其散射场受负载变化的影响，天线模式项散射也是天线与普通散射体相比特有的散射特点 [13]。天线散射的物理模型和天线散射原理模型分别如图1和图2所示。其中，天线散射原理模型是以单端口天线为基础来建立的。

Figure 2. Antenna scattering principle model

图2. 天线散射原理模型图

入射波的照射角度对微带天线的散射特性影响明显，不同的照射角度，微带天线各点散射强度各异。本节主要分析了受到不同角度的入射波照射时，微带天线的散射情况。图3为入射波的方向图。

Figure 3. Incident wave pattern

图3. 入射波方向图

本文设计了三种天线或模型，如图4所示。其中，图4(a)为模型1，图4(b)为模型2，图4(c)为参考微带天线。贴片尺寸和接地板尺寸在图4有详细标注，介质基片考虑为理想介质层。

Figure 4. Model 1, Model 2, Reference Antenna Structure

图4. 模型1、模型2、参考天线结构图

当入射波垂直照射时，三种被照射目标的RCS对比如图5所示。从图中可以看出，这种情况下，入射波以不同频率对三种被照射目标进行照射时，三种被照射目标的RCS非常接近。说明入射角为0时，对微带天线RCS产生影响的主要因素在于接地板。

Figure 5. Structure Comparison of RCS of three kinds of irradiated targets

图5. 三种被照射目标的RCS对比图

当入射波的照射角度范围在80˚ ≤ θ ≤ 90˚时，从图3中可以看出，这种情况下，入射波与微带天线贴片所形成的夹角非常小，三种被照射目标的RCS对比如图6所示。从图中可以看出，入射波以不同频率对三种被照射目标进行照射时，三种被照射目标的RCS相对来说非常的接近。图7为入射频率分别为2 GHz、4 GHz、8 GHz的平面波时，电场的比对图。通过分析可知，此种情况下，微带天线的强散射源主要在贴片上。

Figure 6. Structure comparison of RCS of three kinds of irradiated targets

图6. 三种被照射目标的RCS对比图

(a) (b) (c)

Figure 7. Map patch electric field strength comparison chart

图7. 图贴片电场强度对比图

当入射波的照射角度范围在时，三种被照射目标的RCS对比如图8所示。这种情况下，入射波与微带天线贴片所形成的夹角非常大，需要进行分解，综合前面讨论的两种散射机理，相对来说较为复杂。若想减缩微带天线的RCS，必须要抑制产生RCS峰值的其余谐振模式。

Figure 8. Structure comparison of RCS of three kinds of irradiated targets

图8. 三种被照射目标的RCS对比图

3. 微带天线RCS减缩

3.1. 短路探针加载技术

首先设计了一种微带贴片天线(工作频率为2.46 GHz)作为参考天线，如图9(a)所示。贴片结构尺寸和地板尺寸结构见图9(a)。在此基础上，加载短路探针，即相当于引入电感和电容。加载短路后天线结构如图9(b)。

上节分析了入射波角度为0˚ ≤ θ ≤ 15˚、15˚ ≤ θ ≤ 80˚、80˚ ≤ θ ≤ 90˚三种情况时的散射情况，在这三种不同的入射波角度照射下的散射情况分析的基础上，本节从入射角度θ = 85˚对微带天线的RCS进行了分析比对。两种天线的参数对比如图10所示。仿真的结果如图11所示。微带天线工作频率下，单站RCS减缩对比如图12所示。

Figure 9. Reference antenna and short circuit probe antenna structure diagram

图9. 参考天线与加载短路探针天线结构图

Figure 10. Comparison of the parameters of the two antennas

图10. 两种天线的参数对比图

Figure 11. Comparison of two antennas RCS

图11. 参考天线与加载短路探针天线RCS对比图

Figure 12. Single station RCS analysis comparison chart

图12. 单站RCS分析对比图

通过上述实验对比图可以得出，通过为微带天线加载短路探针，成功的实现了RCS缩减的目的，验证了加载短路探针的可行性和有效性。

3.2. 小型化技术

在上一节基础上，得出入射波为时的RCS减缩情况。在频段2 GHz~3 GHz范围内，满足RCS频率特性，低频散射特性，位于瑞利区，改变微带物理尺寸对RCS对比影响不大。因此下步选择扫频范围为3 GHz~8 GHz，利于更直观对比RCS。当入射波从角域入射时，散射情况最为复杂更具代表性。因此，以下设定入射波入射角、的极化波为入射波，此角度照射同时包括垂直分量与水平分量，对RCS减缩的验证更具有说服力。

本节在上一节的基础上，对微带天线进行小型化处理，具体方法为在微带天线贴片上进行开缝处理，开缝位置分别在微带天线的左上和右下，缝宽1 mm，缝长10 mm。如图13所示，图13(a)、图13(b)分别为参考天线与开缝小型化后的天线结构图。

Figure 13. Single station RCS analysis comparison chart

图13. 单站RCS分析对比图

仿真的结果如图14所示。微带天线工作频率下，单站RCS减缩对比如图15所示。

Figure 14. Comparison of two antennas RCS

图14. 参考天线与小型化天线RCS对比图

Figure 15. Single station RCS analysis comparison chart

图15. 单站RCS分析对比图

从图15中可以看出，对微带天线进行贴片小型化处理之后，成功达到了RCS减缩的目的。通过与图14的对比，在3.1节中提出的加载短路探针的微带天线为参考天线的基础之上，进一步的进行小型化处理，成功缩减了微带天线的RCS，降低均值约为3 dBsm，最大缩减值达到了7.1 dBsm。通过实验分析验证了微带天线小型化处理的可行性与有效性。

4. 基于人工磁导体的微带天线RCS减缩方法研究

上述方法在一定程度上达到了微带天线RCS减缩的目的，但是减缩量有限，本节为解决外形技术对RCS缩减的局限性这一问题，从而进一步缩减RCS，提出一种基于AMC的微带天线RCS减缩方法。并通过仿真实验验证了所提方法的有效性。

本文在综合分析比较了圆环AMC、方环AMC、“十”字形AMC之后，对比获得了频带较宽的AMC单元，决定采用圆环AMC和方环AMC进行棋盘式组合，如图16所示。

Figure 16. Checkerboard combination structure diagram

图16. 棋盘式组合结构图

AMC单元的数量较少时，不能很好的反映出其反射相位特性，但是AMC单元过多会增加成本，加大加工难度，并且在整体目标RCS的降低方面表现较差。本节采用N × N的AMC单元组合成AMC块，N分别取值3、5、7、9，结构如图17所示。AMC单元尺寸为上述最优方环AMC、圆环AMC单元的尺寸。当f = 8 GHz时，其单站RCS减缩对比如图18所示。

Figure 17. Top view of N × N scale AMC block legend

图17. N × N规模数AMC块图例俯视图

由图18可知，AMC单元数不同，反射能量情况也不同，整体上来说，AMC单元数越少，反射能量越集中，但对主瓣的抑制效果会变差，RCS的减缩效果不明显，但从图中可以看出，RCS的减缩效果整体上都超过了−10 dB，证明了该设计的有效性。

Figure 18. Comparison of single station RCS of AMC blocks of different sizes

图18. 不同规模数AMC块单站RCS对比

图19给出了入射波频率分别为6 GHz、10 GHz时，参考天线和加载AMC天线的单站RCS对比。从图中可以看出，加载AMC可以有效的降低微带天线RCS，并且降低效果较为显著，RCS减缩最大可达−23.7 dB，并且加载AMC后，同时实现了带内和带外的减缩。

Figure 19. Comparison of single station RCS of AMC blocks of different sizes

图19. 不同规模数AMC块单站RCS对比

5. 总结

本文主要研究了微带天线RCS减缩方法，首先设计了一款常规的微带天线，保证了其工作带宽和增益良好的基础上，对其进行外形处理，例如短路探针加载、贴片小型化等，达到了微带天线RCS减缩的目的，同时保证了天线辐射工作性能。并通过仿真实验验证了通过外形技术降低微带天线RCS的可行性。为进一步降低微带天线的RCS，提出一种加载棋盘式AMC的微带天线，成功实现了在更宽频段的RCS减缩的目的。并且通过实验验证了该方法的可行性和有效性。在未来，为进一步实现微带天线RCS的减缩，我们将研究通过抑制天线各个方向的散射能量，实现目标全方位角的RCS减缩。

文章引用

王宗山,雷 宁. 微带天线RCS减缩方法的研究
Research on RCS Reduction Method of Microstrip Antenna[J]. 天线学报, 2020, 09(01): 1-12. https://doi.org/10.12677/JA.2020.91001

参考文献

  1. 1. 张辉, 张晓发, 闫敦豹, 等. 基于H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线[J]. 电子与信息学报, 2007, 29(4): 991-993.

  2. 2. 朱莉, 王光明, 高向军, 等. 一种新型宽带圆极化微带天线的设计[J]. 微波学报, 2008, 24(3): 21-24.

  3. 3. 尹应增, 张卫东, 郑会利, 等. 正多边形贴片圆极化微带天线[J]. 西安电子科技大学学报, 2000(2): 131-133.

  4. 4. 荣丰梅, 龚书喜, 贺秀莲. 利用开槽和短路探针加载减缩微带天线RCS [J]. 西安电子科技大学学报, 2006, 33(3): 479-481.

  5. 5. 张宏波, 龚书喜, 贺秀莲. 分形开槽减缩微带天线RCS [J]. 微波学报, 2006, 22(6): 34-36.

  6. 6. 凌劲, 龚书喜, 张鹏飞, 等. 一种微带贴片天线RCS减缩新方法[J]. 西安电子科技大学学报(自然科学版), 2010, 37(2): 295-299.

  7. 7. 丁君, 程春霞, 郭陈江. 一种微带天线RCS减缩方法研究[J]. 计算机仿真, 2008, 25(9): 130-133.

  8. 8. 宋国栋, 潘宇虎, 高铁. 阵列天线RCS分析及减缩[J]. 现代雷达, 2008, 30(10): 67-70.

  9. 9. 王夫蔚, 龚书喜, 张鹏飞, 等. 结构型吸波材料在阵列天线RCS减缩中的应用[J]. 西安电子科技大学学报, 2012, 39(5): 91-95.

  10. 10. 王文涛, 龚书喜, 胡楚锋, 等. 基于准分形频率选择表面的天线RCS减缩[J]. 微波学报, 2010, 26(3): 1-5.

  11. 11. 陶长亚. 微带天线RCS减缩研究[D]: [硕士学位论文]. 西安: 西安电子科技大学, 2008.

  12. 12. Jia, Y., Liu. Y., Wang. H., et al. (2014) Low-RCS, High-Gain, and Wideband Mushroom Antenna. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 14, 277-280. https://doi.org/10.1109/LAWP.2014.2363071

  13. 13. Wang, W., Gong, S., Wang, X., et al. (2010) Differential Evolution Algorithm and Method of Moments for the Design of Low-RCS Antenna. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 9, 295-298. https://doi.org/10.1109/LAWP.2010.2047837

    14. NOTES

    *通讯作者。

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