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技术文章
 
采用人工磁导体和缺陷接地结构缩小微带贴片天线的雷达截面
录入时间:2021/3/4 10:40:40

Low RCS Microstrip Patch Antenna Using Artificial Magnetic Conductors and Defected Ground Structure

Wei Luo, Hongyuan Zhang, Xiaolong Weng, Haiyan Chen, Wentao He, Kai Li,电子科技大学

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一种新的设计通过使用人工磁导体AMC和缺陷接地结构DGS缩小了微带天线的雷达截面RCSRCS的缩小是通过相位抵消实现的。与传统的只使用AMC的方法相比,同时使用AMCDGS可以缩小低频下的单静态RCS,同时显著提高增益。在8.19-15.84 GHz63.7%带宽)范围内实现了10dBRCS缩减,最大增益提升为3.7dB,发生在10GHz

 

天线RCS是低观测平台总RCS的重要组成部分。但由于要发射和接收自己的雷达波,天线要隐身变得困难。微带天线因其体积小、重量轻、剖面低、能与天线载体表面贴合而被广泛用于通信系统。近年来,人们提出了几种缩小微带天线RCS的方法,其中一种是采用人工电磁材料。

由于电磁带隙(EBG)结构与理想电导体在谐振时的反射相位差为180度,它们的反射波会抵消。通过将EBG基板分布在天线贴片周围的部分区域,以牺牲天线辐射性能为代价,可以缩小RCS。1 对于宽带天线RCS的缩小,当相位抵消单元被两个不同的AMC取代并以棋盘形排列时,可以在较宽的频率范围内实现180±37度的相位差。2-4 频率选择面(FSS)结构也可用于缩小天线RCS,但通常仅限于带外缩小。5 为了同时缩小带内和带外天线RCS,FSS结构通常与其他方法相结合,如使用微带谐振器6和EBG。7

本工作通过使用AMC缩小天线RCS。与以往的工作不同,在天线设计中加入了DGS。DGS通常用于通过减少相互耦合8,9、加宽阻抗带宽10和抑制交叉极化11-13来提高天线性能。在本设计中,AMC结构与DGS相结合,以缩小天线在低频的RCS,同时提高增益。

 

AMC设计

常规的AMC结构由上表面周期排列的金属贴片组成,还有中间介质和金属接地。根据等效的LC谐振电路,在基板厚度确定后,用适当的贴片尺寸降低AMC中心频率并不能保证其带宽。中心频率为0度反射相位对应的频率,带宽为-90至+90度反射相位对应的频率范围。在接地平面上蚀刻DGS会引入额外的电感,在不改变上层贴片尺寸的情况下可降低中心频率,保持带宽不变。如1所示,选择不同尺寸的方形贴片作为AMC单元——AMC1和AMC2。基板材料为Rogers RT5880(εr=2.2),接地平面上蚀刻了矩形孔。

2显示了AMC1在不同孔宽度和极化下的反射相位。w=0mm的情况对应于常规AMC,L3设置为3mm。正如预期的那样,接地平面上的孔径对AMC的相位有很大影响。中心频率随着孔宽度的增加而降低,特别是当极化方向与w的方向平行时。3a显示了w=2和0 mm的两个AMC在不同极化方向下的反射相位。AMC的相位与极化有关,3b显示了不同情况下的相位差曲线。两种不同的常规AMC的有效相位差对应的频段为9.52-16.43 GHz,而AMC和DGS的最大孔径对应的频段为8.61-15.47 GHz。带宽几乎没有变化,相位差曲线则随着接地平面上蚀刻孔径的增加而向低频移动。

 

天线设计

原型天线的基板材料(4)与AMC的相同,由同轴电缆供电。AMC以棋盘形放置在天线贴片周围,对称的DGS被刻蚀在接地平面上。DGS尺寸经过优化,在不影响同向极化增益和阻抗带宽的情况下,实现H面最大的交叉极化抑制,即|S11| <-10dB。如前所述,DGS结构可以降低贴片附近的AMC中心频率。

5a中绘制了仿真的|S11|。天线1使用了常规AMC,天线2代表了本项工作,而一个未改动的贴片天线是参考天线。三根天线的谐振频率和阻抗带宽仅有细微差别。天线2的仿真增益在9-11 GHz时明显高于天线1,与参考天线相比,10 GHz时的最大增益提高了3.7dB(5b)。天线1的仿真辐射图与参考天线辐射图几乎一致,而天线2的主波束更窄,说明其指向性更高(6)。

在垂直入射时,天线的仿真单静态RCS见7。与使用常规AMC的天线1相比,天线2的RCS在低频时缩小、高频时扩大,因为有效相位差带宽因DGS向低频移动。与参考天线相比,天线1从10.2至17.11GHz(50.5%带宽)的RCS缩小了>10dB;本工作的天线2的10dB RCS缩小的频段除了几个点外,为8.19至15.84 GHz(63.7%)。虽然>10 dB的RCS缩减的带宽略低于Zheng等人2的报道(8.8至17.3 GHz,65.2%)和Yao等人4的报道(13.4至26.9 GHz,67%),但天线2实现了低频的RCS缩减,并显著提高了天线增益。Zheng等14报道的最大增益提高了4.9dB,但对应的带宽只有55.1%(9.6至16.9 GHz)。与其他文献报道的结果相比,本设计的辐射和散射特性都得到了改善。

 

测量

为了验证仿真结果,用Keysight E8363B矢量网络分析仪测量了天线2的原型(8)以及使用常规AMC和常规贴片的天线。如图9所示,虽然天线1和2的谐振频率较高、带宽略大,但实测性能与仿真结果相似。归一化辐射图见10。正如仿真所预测的那样,天线2的指向性略有提高。垂直入射时的单静态RCS见11。与仿真结果一样,天线2在低频下表现出比天线1更大的RCS缩减,与参考天线相比也有明显的缩减,这也与仿真结果一致。

 

结论

通过同时使用AMC和DGS,实现了贴片天线的RCS缩小和增益提高。对于垂直入射波,反射波在天线表面被抵消,在低频下可以更好地缩小RCS。并用AMC和DGS解决了提高增益和缩小RCS之间的矛盾,在不改变贴片设计的情况下缩小了RCS。


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