任志刚

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



蒙皮天线的浅介质腔体散射特性分析*

任志刚**

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

随着隐身技术的不断发展，天线雷达散射截面(RCS)的缩减成为实现低散射平台电磁隐身特性的关键。蒙皮天线是天线RCS缩减的重要技术方向，而腔体散射又是蒙皮天线难以避开的问题，因此，介质浅腔的RCS缩减是实现低RCS天线的重要保障。通过仿真软件FEKO对浅腔、介质及介质浅腔的散射特性进行研究，得到了介质浅腔散射随介质浅腔深度呈现单调变化的条件，给出了一种具有低RCS值的菱形介质浅腔设计方法。该方法利用天线电性能及介质浅腔隐身性能对介质板厚度呈现单调变化的特性，在满足天线驻波比要求的基础上，通过尽量减薄介质基板的厚度实现介质浅腔RCS的缩减。实测结果表明，通过上述方法设计的介质浅腔的RCS得到了接近10 dB的缩减效果。

隐身技术；蒙皮天线；浅介质腔体;腔体散射;雷达散射截面缩减

1　引　言

21世纪隐身技术在军事领域的应用更加广泛，世界各国都极其重视隐身武器研究和应用[1-3]。随着频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)结构、吸波材料等隐身新技术的发展以及应用，飞行器等隐身目标自身的雷达散射截面(Radar Cross Section Reduction,RCS)已经非常小，其RCS主要贡献来源于飞行器、舰艇等武器平台自身上的天线系统[4-6]。

天线的散射较为复杂，因其不但具有一般散射体的镜面反射、边缘绕射等结构项散射，还有天线作为接收装置截获空间入射电磁波能量并将其二次辐射出去而引起的模式项散射。

随着天线技术的发展，蒙皮天线[4]系统以其小型化、综合化、智能化等特点，受到了越来越多的重视。但是，无论天线技术如何发展，在现行功能体制下，即便是蒙皮天线仍然难以避开天线内嵌安装形成的介质浅腔的散射问题。

天线RCS缩减一般从天线结构项散射、天线模式项散射及天线阵列散射三个方面进行[1,3]。但是，对于天线介质浅腔的散射问题鲜有学者对其进行讨论。由于介质浅腔散射特性对天线RCS缩减的重要性，对介质浅腔散射特性的分析，并根据介质浅腔的散射特性提出相应的RCS缩减方法就显得尤为重要。

本文利用仿真软件FEKO和低RCS载体研究了介质浅腔的散射，针对主要考察威胁角度内(方位角-40°～+40°，俯仰角90°)单站RCS算术平均值，分析了介质浅腔RCS的变化情况，最后提出了一种具有低RCS值的菱形介质浅腔的设计方法。

2　分析方法

高频方法由于方法自身的限制难以精确分析介质浅腔散射，基于矩量法(Method of Moment，MoM)的FEKO电磁结构仿真软件，适用于计算介质浅腔的RCS。本文采用FEKO V6.0计算介质浅腔的RCS值。为了保证天线装配及结构强度不受较大影响，通过对矩形介质浅腔的物理参数的优化减缩其RCS值，使其满足低RCS天线设计要求。

在浅介质腔RCS缩减研究中，笔者使用了低RCS载体对目标RCS进行仿真验证，首先选取工程实例中使用的介质浅腔刻蚀在低RCS载体上(低RCS载体在一定角度内具有极低的RCS值)，如图1所示，这样可以模拟该腔体在低RCS天线结构中的状态，并且避开天线其他部件的影响，隔离出介质浅腔的RCS值。类似的方法在文献[7]中用来分析飞机表面的弱散射源对飞机散射的贡献。

图1　载体与载体上介质浅腔示意图

通过对比分析带金属浅腔的载体、带介质的载体和带介质浅腔的载体的RCS值及其散射特性，最后得到介质浅腔散射规律，并给出具有极低RCS值的介质浅腔设计方法。图2给出了载体、普通介质浅腔及RCS控制后的介质浅腔3种情况下RCS值对比。

图2　载体与载体上介质浅腔RCS仿真曲线

对图2中的仿真结果进行统计，在15 GHz时威胁角度内RCS算术平均值为：介质浅腔-32.52 dBsm，低散射载体为-44.4 dBsm，经RCS控制后介质浅腔散射为-44.32 dBsm。从数据对比可见，介质浅腔不经RCS控制对目标RCS造成明显的恶化。

3　分析过程

介质浅腔散射特性的研究分为三个部分，首先研究无内嵌安装介质基板的金属浅腔的散射特性，然后研究薄介质基板的散射特性，最后对介质浅腔散射特性进行分析，并给出具有极低RCS值的介质浅腔设计方法及实测验证。

金属浅腔、薄介质基板与介质浅腔的分析均在腔体尺寸一定的前提下进行，考虑需要降低威胁角域内目标的RCS，介质浅腔外形均修形为菱形，浅腔与介质基板尺寸约为152 mm×112 mm，内嵌介质介电常数3，利用圆盘类低RCS载体，对金属浅腔、薄介质板及介质浅腔进行数值仿真，通过对仿真曲线及头向±40°内均值统计结果的分析，总结出介质浅腔的散射特性。

3.1金属浅腔的散射特性

在圆盘类低RCS载体上，针对不同深度的金属浅腔进行RCS仿真，图3给出了浅腔不同深度h参照，横坐标为深度h的编号，对应于h1，h2，…，纵坐标为深度，单位为mm。

图3　介质板厚度对照

首先针对频点15 GHz，对深度为h1的金属浅腔进行RCS仿真，仿真示意图及仿真结果如图4所示。

(a)金属浅腔示意图

(b)金属浅腔RCS曲线

图4表明金属浅腔具有较低的RCS。为了进一步对金属浅腔深度的影响进行分析验证，对不同深度的金属浅腔的RCS进行了仿真，结果如图5所示。

(a)金属浅腔RCS均值

(b)腔体边缘RCS峰值

图5中的结果表明金属浅腔的RCS值受金属腔体深度影响较小，金属浅腔边缘法向的峰值随着金属腔体深度增加而变高。对金属浅腔其他频率进行仿真得到基本类似的结果，即对于金属浅腔，在其深度不超过一定极限的前提下，金属浅腔的RCS值受腔体深度影响较小。

3.2薄介质基板的散射特性

为分析薄介质基板的RCS，在圆盘类低RCS载体上，针对不同厚度的薄介质板进行了RCS仿真，15 GHz时薄介质板的仿真示意图及仿真结果如图6所示。

(a)薄介质板示意图

(b)薄介质板RCS

从薄介质基板的仿真曲线上看，薄介质基板厚度在小于某一个值的情况下，薄介质基板RCS均值呈现出单调的变化趋势。

为了进一步验证上述特性，对薄介质板在不同频点的RCS均值随介质板厚度变化的情况进行了仿真，结果如图7所示。

(a)15 GHz变化曲线

(b)10 GHz变化曲线

(c)8 GHz变化曲线

从图6及图7的曲线上可以看出，在薄介质基板厚度较小的情况下，薄介质基板RCS随着厚度增加呈现逐渐变大的趋势，这一趋势受频率影响较小，即针对不同频率，当介质基板的厚度小于某未知的极限值时，薄介质基板在考察角域内的RCS值就会呈现单调变化。

3.3介质浅腔的散射特性

将薄介质板嵌入安装后，便产生了介质浅腔，从结构上看介质浅腔包含了薄介质板及金属浅腔两个部分。当外形尺寸固定后，金属浅腔的RCS不受腔体深度的影响，故介质浅腔的散射应当更多地表现出薄介质板的散射特性。针对15 GHz时介质浅腔的仿真示意图及仿真结果如图8所示。

(a)介质浅腔示意图

(b)介质浅腔RCS

从图8的仿真结果可知，介质浅腔的散射与预测应当更多地表现出薄介质板的散射特性相符合。为了进一步验证不同频点时介质浅腔的散射特性，对不同频点介质浅腔RCS随腔体深度变化的情况进行了仿真，结果如图9所示。

(a)15 GHz变化曲线

(b)10 GHz变化曲线

(c)8 GHz变化曲线

从图7及图9的仿真结果可知，无论是薄介质板，还是介质浅腔，在介质基板厚度不超过临界值之前，目标考察角域内的RCS总是随着介质基板厚度的增加呈现逐渐变大的趋势。在介质基板厚度超过临界值后，目标考察角域内的RCS曲线及均值开始呈现出震荡趋势，而腔体边缘法向的散射峰值则随着腔体深度增加而变高。

再次回顾图9(a)的仿真结果可以看出，当介质浅腔的深度小于某一临界值之前，介质浅腔的散射将随着介质基板的厚度增加呈现单调变大的趋势。为了更清晰地描述该临界值，重新描述如下：即存在仅与腔体物理特性相关而与频率无关的小于1的系数a，当介质浅腔的深度小于a·λ(λ是电波长)时，介质浅腔的散射将随着介质基板的厚度呈现单调变化的趋势。

从图9(a)的仿真结果可以看出，当介质基板厚度小于2 mm时，载体上开腔放入介质基板，目标考察区域内的RCS均呈现单调变化。介质基板厚度小于2 mm对应于系数a约为0.17。

对应于10 GHz时，应用该系数，得到介质基板厚度小于3 mm时，目标考察区域内的RCS均应随着介质基板厚度增加呈现单调变大；介质基板厚度超过3 mm时则出现振荡现象，这与图9(b)的仿真结果表现较为一致。将系数a应用于8 GHz时，可以得到在介质基板厚度小于3.6 mm时，目标考察区域内的RCS均应随着介质基板厚度增加呈现单调变大，这与图9(c)的仿真结果表现较为一致。

对介质浅腔RCS规律进行总结：当介质板尺寸、物理参数等如上给出时，可以得到在腔体深度小于a·λ时，此系数a约为0.17，介质腔体的散射将随着腔体深度的增加呈现逐渐变大的趋势。

3.4倒角对介质浅腔RCS的影响

下面对倒角对上述菱形外形介质浅腔RCS的影响进行分析。选择腔体深度1.282 mm，原介质浅腔尺寸为152 mm×112 mm，经倒角处理后，介质浅腔下表面尺寸不变，上表面尺寸变为188 mm×152 mm，对不同频率、倒角(60°)前后介质浅腔RCS均值进行对比，结果如图10所示。

从图10中可以看出，倒角处理在低频对介质浅腔RCS有着较好的缩减效果，但是倒角在对介质浅腔有着一定缩减效果的前提是采用较大的倒角，这极大地增加了介质浅腔的尺寸。在8～10 GHz之间，倒角处理的介质浅腔的RCS有着反复情况，即倒角并不一直对介质浅腔的RCS有较好的缩减效果，且倒角在高频段对介质浅腔RCS的缩减效果一般。综上，建议针对介质浅腔RCS缩减时，根据介质浅腔的RCS要求及空间尺寸限制来决定是否应用倒角处理。

(a)倒角示意

(b)倒角前后RCS均值对比

4　低RCS介质浅腔的设计及测试验证

介质基板作为微带天线的承载介质，对天线驻波带宽影响较大，随着天线介质基板厚度的减薄，天线驻波带宽变窄，所以，介质浅腔的散射控制必须与天线驻波带宽设计相结合。

以某K频段微带天线为例，其驻波带宽及腔体RCS随介质基板厚度变化大致有如图11所示关系。

从图11中可以看出，介质浅腔的RCS缩减设计必须综合天线驻波比带宽要求与介质浅腔的RCS要求，对介质浅腔的深度进行选择。对于介质浅腔RCS的缩减设计，给出如下设计步骤：

(1)首先根据天线口径确定介质浅腔尺寸，并根据低RCS外形修形技术，将腔体外形修形为菱形；

(2)根据介质基板选择确定介电常数后，对不同介质基板厚度的天线驻波比带宽进行仿真，寻找满足驻波比带宽的最小介质基板厚度；

(3)对介质浅腔RCS在该外形尺寸下随介质浅腔厚度的变化情况进行仿真，寻找满足天线RCS要求的最薄腔体深度；

(4)综合天线驻波比带宽要求与介质浅腔RCS要求，选择合适的介质浅腔深度，完成介质浅腔的设计。

(a)驻波比带宽

(b)15 GHz介质浅腔RCS

按照上述方法，对某K频段天线介质腔体进行低RCS控制设计，以验证上述方法的有效性。

该K频段天线初始状体考虑了天线驻波比带宽要求，介质板尺寸比上述仿真分析中的例子略小，介质腔体深度较大，为了缩减天线RCS将介质腔体外形修形为菱形。为了进一步缩减介质腔体的RCS，应用介质浅腔RCS的缩减设计方法，在满足天线电性能驻波带宽要求的前提下，通过控制介质腔体的深度，对介质腔体RCS进行了进一步的缩减设计。介质腔体的厚度较缩减前减薄了约0.5 mm。

利用微波暗室在某RCS考察频点f0对RCS缩减设计前后的介质腔体RCS进行实测，测试方位角域为(-90°～90°)，扫描步径0.2°，暗室背景电平小于目标电平10 dB以上，归一化的测试结果如图12所示。

图12　频点f0归一化的介质腔体RCS测试曲线

由图12可以看出，通过介质腔体RCS缩减设计，介质腔体RCS得到明显改善，较RCS缩减设计前下降了近10 dB。

5　结　论

利用本文给出的低RCS菱形介质浅腔设计方法对某K频段天线的介质浅腔进行了RCS缩减设计，实测结果表明，缩减设计后的介质浅腔的RCS降低接近10 dB。实验结果进一步验证了介质浅腔RCS在腔体深度小于a·λ时，其散射随着腔体深度呈现单调变化的特性。对于更大尺寸的介质浅腔上述特性仍然成立，但是受限于计算能力，未能对其进行仿真验证。低RCS介质浅腔设计方法通过对介质浅腔厚度的控制，实现了RCS的缩减，该方法与现有的采用天线单元开槽或使用分形单元等缩减天线RCS的方法具有同等重要的作用，是现有天线RCS缩减方法的重要补充，为天线RCS缩减提供了重要保障。

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任志刚(1981—)，男，黑龙江佳木斯人，博士，工程师，主要研究方向为计算电磁学、天线设计、数值代数。

REN Zhigang was born in Jiamusi,Heilongjiang Province,in 1981. He is now an engineer with the Ph.D.degree. His research concerns computational electromagnetism,antenna design and numerical algebra.

Email:eric667@163.com

Scattering Characteristics Analysis of Dielectric Cavity of Skin Antenna

REN Zhigang

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

With the development of stealth technology,the radar cross section reduction(RCSR) of antenna is the key to realize the low scattering platform. The skin antenna is an important technique of antenna RCSR,and the cavity scattering is a problem which is hard to be avoided,the RCSR of dielectric cavity is an important guarantee for the realization of low RCS antenna. Through studing the scattering properties of cavity,dielectric and dielectric cavity by simulation software FEKO,this paper obtaines the variation law of dielectric cavity scattering with depth and presents the design method of a dielectric cavity with low RCS value. The method utilizes the characteristics that the antenna’s voltage standing wave ratio(VSWR) bandwidth and RCS of the dielectric cavity monotonously change with the height of the dielectirc,and according to VSWR bandwidth requirements of the antenna,realizes the RCSR by minimizing the dielectric substrate thickness. The experimental result proves that by using the proposed method，the RCSR of the dielectric cavity is close to 10 dB.Key words：stealth technology;skin antenna;dielectric cavity;cavity scattering;radar cross section reduction

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.009

2016-03-28；

2016-07-07Received date:2016-03-28；Revised date：2016-07-07

TN958

A

1001-893X(2016)10-1112-07

引用格式：任志刚.蒙皮天线的浅介质腔体散射特性分析[J].电讯技术，2016,56(10):1112-1118.[REN Zhigang.Scattering characteristics analysis of dielectric cavity of skin antenna[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1112-1118.]

**通信作者：eric667@163.comCorresponding author：eric667@163.com