陳續(xù)戰(zhàn)，穆 欣，李 方

一種微帶天線RCS減縮方法與實(shí)現(xiàn)

陳續(xù)戰(zhàn)，穆 欣，李 方

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

微帶貼片天線因其具備的多種優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等各個(gè)領(lǐng)域，微帶貼片天線在不影響其輻射性能的前提下，提升其雷達(dá)隱身性能即進(jìn)行RCS（雷達(dá)散射截面）減縮，一直以來都是重要的研究方向。通過分析微帶天線RCS減縮機(jī)理，提出了一種通過對(duì)矩形微帶天線進(jìn)行H形縫隙加載的方法，提升其雷達(dá)隱身性能，實(shí)現(xiàn)了天線輻射性影響較小基礎(chǔ)上，在X波段內(nèi)天線的RCS得到大幅減縮。

微帶天線；RCS減縮；H形縫隙加載

0 引言

微帶貼片天線因其易于共形、低剖面、重量輕、加工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域[1]，隨著人們對(duì)低雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）天線的愈發(fā)重視，對(duì)微帶天線的RCS減縮也提出了越來越高的要求，微帶天線的RCS減縮一直是RCS減縮研究的重要課題[2]。

在天線的應(yīng)用中，既要保證天線對(duì)于帶內(nèi)電磁波的輻射性能，又要保證天線具備較低RCS，這是天線RCS減縮的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)[3]。一般情況下，對(duì)于微帶天線一般會(huì)采用增加吸波材料、電阻加載技術(shù)[4]、減小貼片面積[5]等方法來進(jìn)行RCS減縮，但此類方法對(duì)天線輻射性能都有較大影響，往往是以較大幅度犧牲天線增益和輻射效率而換取較好的RCS減縮效果。

研究表明，影響天線RCS有三個(gè)方面：一是入射波的增益；二是天線輻射增益；三是空間中天線實(shí)部阻抗與天線總阻抗模值的比值。本文通過分析微帶天線的散射機(jī)理，討論對(duì)常規(guī)矩形微帶天線進(jìn)行H形縫隙加載的方法[6]，通過此種方法，設(shè)法調(diào)整天線在空間中的阻抗特性，降低空間中天線實(shí)部阻抗與天線總阻抗模值的比值，實(shí)現(xiàn)在輻射性能犧牲較小的同時(shí)，獲得RCS顯著減縮效果（X波段）。

1 矩形微帶天線散射及RCS減縮原理

定義：

則：

根據(jù)互異性，可得：

聯(lián)立式（4）～式（9）并簡(jiǎn)化，可將式（9）散射場(chǎng)截面積進(jìn)一步寫作：

2 微帶天線電性能仿真以及RCS減縮仿真

2.1 微帶天線電性能仿真對(duì)比

本文設(shè)計(jì)諧振頻率為1的矩形微帶貼片天線，天線介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)為3，厚度為1.5 mm。仿真模型如圖1所示。

圖1 矩形微帶天線仿真模型

矩形微帶天線駐波仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 矩形微帶天線駐波仿真結(jié)果

矩形微帶天線方向圖仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 矩形微帶天線增益仿真結(jié)果

對(duì)矩形微帶天線進(jìn)行H形縫隙加載后，對(duì)貼片尺寸進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行電性能仿真，模型如圖4所示。

圖4 進(jìn)行H形縫隙加載后天線仿真模型

進(jìn)行H形縫隙加載后駐波仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 進(jìn)行H形縫隙加載后天線駐波仿真結(jié)果

進(jìn)行H形縫隙加載后駐波仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 進(jìn)行H形縫隙加載后天線增益仿真結(jié)果

由以上仿真結(jié)果對(duì)比可以看出，對(duì)矩形微帶貼片進(jìn)行H形縫隙加載后，天線駐波由1.04增大至1.11，增大0.07，增益由6.38 dB降低至6.36 dB，降低0.02 dB，可見通過對(duì)矩形微帶天線進(jìn)行H形縫隙加載，對(duì)于天線輻射性能影響很小。

2.2 矩形貼片RCS仿真

入射波方向的仿真計(jì)算范圍如圖7所示。

圖7 入射波方向的仿真計(jì)算范圍

矩形微帶天線RCS仿真模型如圖8所示。

圖8 矩形微帶天線RCS仿真模型

圖9 矩形微帶天線6～12 GHz各頻點(diǎn)仿真RCS均值

2.3 矩形貼片進(jìn)行H形縫隙加載后RCS仿真

對(duì)矩形貼片進(jìn)行H形縫隙加載后再次進(jìn)行RCS仿真，仿真模型如圖10所示。

圖10 天線進(jìn)行H形縫隙加載后RCS仿真模型

采取同樣的RCS均值計(jì)算方法，6～12 GHz各頻點(diǎn)RCS均值仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 天線進(jìn)行H形縫隙加載后各頻點(diǎn)RCS均值仿真結(jié)果

RCS仿真結(jié)果對(duì)比如圖12所示，圖12為矩形微帶天線進(jìn)行H形縫隙加載之前和之后的RCS均值的差值，可以看出8～12 GHz取得良好的RCS減縮效果，其中10 GHz減縮最為顯著可達(dá)12.6 dBsm。

圖12 天線進(jìn)行H形縫隙加載前后RCS均值的差值

3 結(jié)語

本文通過對(duì)常規(guī)矩形貼片進(jìn)行H形縫隙加載后，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化縫隙尺寸，結(jié)合電性能仿真與RCS仿真，在保證電性能的前提下，RCS減縮效果顯著。在增益損失0.02 dB條件下，在8～12 GHz區(qū)間，RCS取得顯著的減縮效果，8～10 GHz區(qū)間RCS取得9～12.6 dBsm的減縮效果。仿真結(jié)果表明該RCS減縮方案可以實(shí)現(xiàn)顯著的RCS減縮效果，同時(shí)保證天線輻射性能損失較小。

[1] 鐘順時(shí). 微帶天線理論與應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

[2] BOUFRIOUA A . The RCS of a Resistive Rectangular Patch Antenna in a Substrate-Superstrate Geometry[J]. International Journal of Wireless Communications and Mobile Computing，2013，1（4）：91.

[3] GUSTAFSSON M. RCS Reduction of Integrated Antenna Arrays and Radomes with Resistive Sheets[J]. IEEE，2006：3479-3482.

[4] VOLAKIS J，ALEXANIAN A. RCS reduction of rectangular patch by using distributed loading[J]. Electronics Letters（S0013-5194），1992，28（25）：2322-2323.

[5] 克拉特，阮穎錚. 雷達(dá)散射截面：預(yù)估，測(cè)量和減縮[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1988.

[6] JACKSON D R . The RCS of a rectangular microstrip patch in a substrate-superstrate geometry[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation，1990，38（1）：2-8.

RCS Reduction Method and Implementation of Microstrip Antenna

CHEN Xuzhan, MU Xin, LI Fang

Microstrip patch antenna has been widely used in communication, radar and other fields because of its many advantages. Reduction RCS without affecting its radiation performance has been an important research direction to improve its radar stealth performance. By analyzing the RCS Reduction Mechanism of microstrip antenna, a method of loading H-shaped slot on rectangular microstrip antenna is proposed to improve its radar stealth performance. On the premise of less influence on antenna radiation performance, the RCS of antenna is greatly reduced in X-band.

Microstrip Antenna; RCS Reduction; H-Shaped Gap Loading

TN822

A

1674-7976-(2022)-05-374-05

2022-05-06。陳續(xù)戰(zhàn)（1989.09—），陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘祓伨€設(shè)計(jì)和RCS減縮。