ABSTRACT

A conventional microstrip antenna is designed to ensure good operating bandwidth and gain. Then, combined with the short-circuit probe loading, chip miniaturization, grounding plate slotting and other techniques in the RCS reduction technology, the microstrip antennas are sequentially processed, and the RCS of the reference antenna and the technically processed antenna are compared. Then, the antenna radiation work is ensured, and can achieve the effect of RCS reduction, verify the feasibility and effectiveness of short-circuit probe loading, miniaturization, and slotting technology. On this basis, the AMC checkerboard structure is loaded to further increase the amount of RCS reduction.

Keywords:Microstrip Antenna, Antenna Scattering, Shape Technology, RCS Reduction

微带天线RCS减缩方法的研究

毛磊，梁竹关^*，黎鹏，周朝凯，杨志军

云南大学信息学院，云南 昆明

收稿日期：2018年11月20日；录用日期：2018年12月1日；发布日期：2018年12月12日

摘 要

设计一款常规微带天线，保证其工作带宽和增益良好。然后，结合RCS减缩技术中的短路探针加载、贴片小型化、接地板开槽等技术对微带天线进行依次处理，对比参考天线与技术处理后天线的RCS，即保证了天线辐射的工作性能，又能实现RCS减缩的效果，验证短路探针加载、小型化、开槽技术的可行性、有效性。在此基础上，加载AMC棋盘式结构，进一步提高RCS的减缩量。

关键词 :微带天线，天线散射，外形技术，RCS减缩

Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

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

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

1. 引言

飞行器隐身性能的研究是目前天线研究的热点方向。微带天线因为其剖面低、重量轻、体积小等优点，在实际应用中非常广泛。现代各种规模的战争主要就是依靠信息化，信息化技术的博弈是战争是否取胜的关键因素。雷达散射截面积作为衡量天线隐身性能的重要指标，反映了目标物体对电磁波反射能力的大小 [1] [2] 。天线作为发射和接收电磁波的散射体，降低其RCS即有效降低军事设备被探测到的几率，因而研究微带天线RCS的减缩具有重要意义。现代隐身飞机，为了获取良好的隐身效果，通常可以采用改变外形，涂覆吸波材料等方式降低目标RCS [3] [4] [5] [6] [7] 。本文以微带天线的基本理论为基点，设计一款工作频率在2.46 GHz的微带贴片天线，根据不同入射角度的入射波所产生的RCS减缩效果，对比不同角度的入射波，提出RCS减缩方法，并设计满足天线辐射性能的同时又能实现RCS缩减的微带天线，验证方法的可行性。

2. 微带天线散射分析

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不同。对微带天线的散射分析，主要通过把入射波的照射角度划分为三个角域，分别为： $0˚\le \theta \le 15˚$、$15˚\le \theta \le 80˚$、$80˚\le \theta \le 90˚$。本节主要分析三个不同角度入射波照射情况下的散射截面情况，并相应提出缩减的办法。

设计三款天线分别为模型1、模型2、微带天线。微带天线为一款常规微带天线，贴片尺寸为37.26 mm × 28 mm，接地板尺寸为74.52 mm × 56 mm，介质基片为理想介质层，如图1所示。模型2是与微带天 线尺寸相同的金属贴片和接地板构成，贴片与接地板间距与微带天线相同；模型1为与参考天线尺寸相同的一块接地板。

图1. 参考天线结构图

入射波入射角度分别取 $\theta =0˚$、$\theta =45˚$、$\theta =85˚$ ，入射波频率范围为2 GHz~8 GHz，对三种情况下普通微带天线、相同尺寸接地板及贴片、相同尺寸接地板模型的RCS数据进行综合对比，如图2所示：

图2. 参考天线与模型RCS对比图，(a) 入射角 $\theta =0˚$ ；(b) 入射角 $\theta =45˚$ ；(c) 入射角 $\theta =85˚$

当入射波从 $0˚\le \theta \le 15˚$ 照射时，参考天线与对比模型RCS情况如图2(a)所示，通过数据对比可以看出，散射的主要影响因素是接地板参数，因此可以通过减小天线接地板的尺寸，让天线得以小型化，地板开槽等方式来降低地板的镜面反射作用，从而达到有效的RCS减缩目的。

当平面波从 $0˚\le \theta \le 15˚$ 的角域照射时，通过图2(b)数据对比和对天线散射机理分析可以得出，入射波照射到微带天线上，在贴片上会产生高次模感应电流，而天线工作模式主要为主模TM₁₀模，为了达到减缩RCS目的就需要抑制产生RCS峰值的其余谐振模式。在贴片和地板上进行合理的开槽处理可以截断贴片上的高次模电流，且能保证谐振模式不受影响，达到降低RCS的效果。

当平面波入射角度为 $80˚\le \theta \le 90˚$ 时，如2(c)所示，这时散射源主要集中在微带贴片上，可以适当减小贴片的尺寸，在贴片投影面相对的地板上进行开槽等方式有效降低微带天线RCS。

3. 微带天线RCS减缩技术

3.1. 短路探针加载技术

以第2节图1所示微带天线作为参考天线，工作频率在2.46 GHz。采用同轴馈电的方式，贴片结构尺寸为28 mm × 37.26 mm，地板尺寸结构为56 mm × 74.52 mm，h为1.6 mm。在参考天线的基础上，加载短路探针，天线馈电点中心坐标为(7 mm, 0)，半径为1.5 mm；短路探针中心坐标为(−10 mm, 0)，半径为2 mm (如图3所示)。

图3. 加载短路探针天线

根据上节对不同方向入射波情况下的散射情况分析和对应的RCS缩减方法，这里从入射角度 $\theta =45˚$ 分析比对RCS，仿真结果如图4、图5所示：

图4. 参考天线与加载短路探针天线RCS对比

图5. 单站RCS分析对比

分析图4可以得出，加载短路探针后，微带天线RCS约在频段5.0 GHz~7.5 GHz内达到了减缩的目的，验证了加载短路探针方法的可行性。从图5可看出，当入射波入射角方向在 $43˚\le \theta \le 130˚$ 范围时，加载短路探针对微带天线RCS减缩产生作用。

3.2. 小型化技术

根据微带天线散射机理，当高频入射波照射时，贴片与地板间散射场不断相互作用，在贴片上产生较强辐射源。在天线贴片表面开缝，可有效切断贴片表面电流路径，使电流路径加长，相当于加入级联电感。

在上一节加载短路探针的基础上，在微带天线贴片上开出两个“L”形缝(缝宽1 mm，长10 mm)实现贴片小型化，并设定入射波入射角 $\theta =45˚$、$\phi =45˚$ 的 $\theta$ 极化波为入射波，开缝小型化后微带天线如下图6所示：

图6. 小型化后微带天线结构图

贴片小型化处理后微带天线RCS减缩(入射波入射角 $\theta =45˚$、$\phi =45˚$ )与单站RCS对比如图7、图8所示：

图7. 参考天线与小型化天线RCS对比图

图8. 单站RCS分析对比图

图8可得出，在参考天线基础上贴片小型化后，当入射波入射方向在 $43˚\le \theta \le 135˚$ 范围时，小型化对微带天线RCS减缩产生作用。通过图7对比，在加载短路探针微带天线为参考天线的基础上，对微带贴片进行适当的开缝小型化处理后，微带天线的RCS在5.2 GHz~7.9 GHz频带范围内有明显的降低，普遍降低约3 dBsm，最大减缩量达到7.1 dBsm。综合小型化后比对，微带天线S参数、带宽和增益受影响不大，在可接受范围内。微带天线RCS减缩目的达成，验证了贴片开“L”缝小型化技术的有效性。

3.3. 开槽技术

对于微带天线的工作模式(工作带宽内)，其电场沿非辐射边中心处为零，加载探针对辐射性能几乎没有影响。为了使RCS减缩效果更好，贴片小型化的基础上再对微带天线接地板进行开槽处理。在微带天线地板上开槽可以改变感应电流路径，进而影响天线的散射特性以达到降低天线RCS的目的 [8] 。在上一节小型化后微带天线的基础上，对地板进行开槽，结构如图9所示。

图9. 地板开槽天线结构图

微带天线地板开槽以后，RCS减缩效果如图10所示。从图11可得出，在参考天线基础上地板开槽后，当入射波入射方向在 $17˚\le \theta \le 47˚$、$138˚\le \theta \le 170˚$ 范围时，接地板开槽对微带天线RCS减缩产生作用。从图10可以直观的看出，在约4.25 GHz~4.9 GHz、5.1 GHz~5.4 GHz、6.5 GHz~7.0 GHz频带内，地板开槽技术对RCS减缩其促进作用，RCS最多减缩量最多达到10 dB。

图10. 参考天线与接地板开槽天线RCS对比图

图11. 单站RCS分析对比图

本节在加载短路探针和小型化技术的基础上，再对微带天线地板进行开槽处理，改变有入射波照射引起的地板上高模次电流的方向，抑制高模次电场，同时减小地板反射面。微带天线带宽增大，辐射方向增益有微小降低，在可接受范围内。结果显示地板开槽对RCS减缩在部分频段内有效，验证了地板开槽技术的可行性。

4. 基于AMC的微带天线RCS减缩技术

上述三种方法对RCS减缩产生了一定的作用，但RCS减缩数量级不是很高，减缩量均在10 dB以内，普通的外形技术在微带天线RCS减缩中还存在一定的局限性 [9] [10] 。本节提出一种基于人工磁导体(AMC)技术的微带天线RCS减缩方法，进一步改善RCS的缩减量。

AMC (人工磁导体)是一种电磁周期性结构，也称为高阻面，通常将某种金属结构印刷在带有金属接地板的介质基片上，可以实现入射电磁波的同相反射，达到反射相位为 $\theta =0˚$ 的目的 [11] [12] 。选取 $N=7\times 7$ 的单元个数组成 $3\times 3$ 规模的方环和圆环混合AMC棋盘加载到外形RCS减缩技术处理后的天线上，如图12所示：

图12. 加载AMC后的天线

为了比较加载AMC棋盘后RCS的减缩效果，对不同入射频率下的单站RCS进行仿真，结果如下：

图13分别给出在2 GHz、6 GHz两种频率下加载AMC天线与参考天线随入射波角度变化的单站RCS对比图。可以看出加载AMC后天线RCS减缩效果相对参考天线有了明显提升，减缩效果总体上在−10 dB到−30 dB范围内。2 GHz时，在0~180度入射角范围内，均能实现RCS减缩，在平面波垂直照射情况下，RCS减缩最多达−23.7 dB；6 GHz时，在较宽入射角范围(0~38度、75~180度)内可实现RSC减缩。

图13. 不同入射频率下单站RCS对比图

5. 总结

本文主要介绍微带天线RCS减缩方法，并且分析了传统微带天线的散射特性，提出了减低微带天线散射的理论方法。设计了一款微带贴片天线，然后对贴片依次进行短路探针加载、小型化、地板开槽处理后，依次验证了在保证微带天线辐射性能受影响不大的前提下，三种方法对RCS减缩产生了一定的作用，但RCS减缩数量级不是特别明显，减缩量均在10 dB以内，普通的外形技术在微带天线RCS减缩中还存在一定的局限性。在此基础上利用基于人工磁导体(AMC)的微带天线减缩方法对该贴片天线做了进一步处理，提升RCS减缩数量级，使减缩效果总体达到−10 dB到−30 dB。

文章引用

毛 磊,梁竹关,黎 鹏,周朝凯,杨志军. 微带天线RCS减缩方法的研究
Research on RCS Reduction Technology of Microstrip Antenna[J]. 无线通信, 2018, 08(06): 243-251. https://doi.org/10.12677/HJWC.2018.86028

参考文献