0 引言

    隨著現(xiàn)代化軍事的發(fā)展，特別是雷達技術(shù)的發(fā)展，軍事探測技術(shù)與隱身技術(shù)得以迅猛發(fā)展，目標的隱身性能成為其提高生存能力和突防能力的關(guān)鍵因素，也是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中能夠?qū)崿F(xiàn)先發(fā)制人的重要條件。隱身技術(shù)在現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的幾率，使敵方電子探測系統(tǒng)和武器平臺降低戰(zhàn)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(shù)有文獻[1-3]提出開槽結(jié)構(gòu)用于降低天線的RCS，文獻[4-5]利用EBG結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)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(jié)構(gòu)來降低工作頻段內(nèi)的雷達散射截面積。通過改變金屬層開槽寬度和中間結(jié)構(gòu)的寬度，可以調(diào)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(xiàn)不同頻段的天線雷達散射截面積降低。

1 天線的結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)。Vivaldi結(jié)構(gòu)基于指數(shù)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(nèi)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(guān)數(shù)據(jù)。標注有詳細物理尺寸的參考天線的側(cè)視圖和前視圖如圖1(a)和圖1(b)所示。

1.2 幾何成型技術(shù)

    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(shù)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(qū)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。基于表面電流分布情況，除去能量分布稀疏的金屬區(qū)域，如圖3所示。在圖4中，給出了天線的電壓駐波比（VSWR）參數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)

    與此同時，文章提出了一種新型的頻率選擇表面(FSS)結(jié)構(gòu)來改善天線的隱形效果，利用FSS結(jié)構(gòu)替代天線的底板。如圖5(a)所示，該FSS結(jié)構(gòu)由三層周期性平面結(jié)構(gòu)和雙層介質(zhì)組成，頂層金屬結(jié)構(gòu)和底層金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)層采用相對介電常數(shù)為4.4的FR4-環(huán)氧樹脂絕緣板，厚度為0.8 mm。FSS結(jié)構(gòu)的具體尺寸如圖5(b)所示，將參考天線的底板換為FSS結(jié)構(gòu)后的三維結(jié)構(gòu)如圖6所示，改進后天線的參數(shù)如表1所示。

2.1 通帶的帶寬可調(diào)

    通過僅改變中間層金屬結(jié)構(gòu)的縫隙寬度W₂，可以調(diào)節(jié)FSS結(jié)構(gòu)的通帶帶寬，從而實現(xiàn)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(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)如圖7所示?？梢杂^察到，該FSS結(jié)構(gòu)的通帶帶寬隨著中間層金屬結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)通帶帶寬以外，通帶的帶寬也可以通過同時改變?nèi)龑咏饘俳Y(jié)構(gòu)的縫隙寬度(W₁，W₂，W₃)進行平移。該FSS結(jié)構(gòu)的縫隙寬度(W₁，W₂，W₃)從0.15 mm到0.62 mm的模擬結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，該FSS結(jié)構(gòu)的通帶帶寬在三層金屬結(jié)構(gòu)的同時作用下發(fā)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(jié)構(gòu)。該FSS結(jié)構(gòu)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(shù)中的關(guān)鍵。天線的電壓駐波比(VSWR)參數(shù)如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)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(yīng)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(jù)上述結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)隱身特性。經(jīng)過對頻率選擇表面結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)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(xiàn)不同頻段的天線雷達散射截面積降低。通過仿真結(jié)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(xiàn)出色。在保證天線輻射性能基本不變的前提下實現(xiàn)了天線RCS 的縮減，為不同頻段的天線RCS 縮減提供了設(shè)計思路，具有很大的研究意義。

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作者信息:

張青春1，楊明武1，姜兆能1，2，盧笑池1，高  盛1，張  華3

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥230009；

2.毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京210096；3.安徽動力源科技有限公司，安徽 宣城242199）