熊 波,李湉雨,刘明刚

(海军航空大学,山东 烟台 264001)

0 引言

Vivaldi天线是一种非周期、渐变、端射行波天线,由Gibson于1979年提出[1]。对于某个特定的工作频段,在整个天线结构中,只有槽线宽度与波长接近的区域才能向空间形成有效的辐射[2]。由于不同工作频段下,Vivaldi天线的电尺寸始终保持不变,天线的输入阻抗和辐射方向图在整个工作频段内也可以保持近似不变,因此天线具有宽频带特性[3-4]。由于Vivaldi天线为平面结构,从主瓣方向进行照射时,其后向散射较小,而前向散射较大,非常适合作为隐身飞行器的天线使用。

Vivaldi天线作为平面微带天线,已属于具有较低RCS量值的天线类别,但应用于机载火控系统需要在鼻锥方向的RCS尽可能地小,所以Vivaldi天线的RCS仍需要进一步降低。因此需要在保持其辐射特性基本不变的情况下,对天线RCS进行缩减。目前实现天线RCS缩减的技术手段主要有天线修形或开槽、吸波材料加载、无源对消和有源对消[5-6]。文献[7—14]研究了Vivaldi天线的RCS缩减问题,主要是在单站RCS最大的方向(即电磁波垂直于天线金属贴片照射的方向)通过金属贴片开孔等手段对RCS进行缩减。具体实施方式是在天线处于辐射状态下表面电流分布较弱,而处于散射状态下表面电流较强的区域进行开槽处理。这一部分区域对天线的辐射性能影响较小,同时又对散射性能影响较大,可以直观有效地达到缩减RCS的目的。

在实际应用中,天线需要探测的目标与威胁常常来自同一方向,这种情况下,天线修形的方法是否仍然可以缩减RCS?天线RCS与天线方向图是什么关系?这些问题仍然需要深入进行研究。因此本文对Vivaldi天线主瓣方向照射时的双站RCS进行了仿真,并对其特征及产生机理进行了深入分析。

1 Vivaldi天线工作原理

1.1 Vivaldi天线比例变换原理

作为一种常规的超宽带天线,Vivaldi天线具有较宽的工作频带。Vivaldi天线的主要结构包括由窄到宽逐渐增大的槽线,槽线为指数渐变线,通过指数渐变增大的喇叭口向外辐射电磁波信号。由于Vivaldi天线在宽频带内不同频率发射的电磁波的电长度对应的辐射区域不变,因而它可以工作在较宽的频带,成为一种超宽带天线。

Vivaldi天线的指数槽线可写为[11]

y(x)=±y0eαx。

(1)

倘若位于yoz面内的天线结构满足比例变换原理,那么该曲线的结构可以表示为

k·y(x)=y(x+c),

(2)

式(2)中,k为比例变换因子,与c相关,与x无关。

对式(2)中的x和c求偏导可得

又由于

联合式(3)—式(5)可得

因此,Vivaldi天线符合比例变换原理,说明Vivaldi天线是超宽带天线。

1.2 Vivaldi天线方向图仿真分析

设计1～6 GHz频率范围的宽带Vivaldi天线模型如图1所示。该天线在1～6 GHz范围内阻抗匹配良好。

f=1 GHz时天线方向图如图2所示。

沿φ=90°切割得到E面方向图如图3所示。

图1 Vivaldi天线模型Fig.1 Model of the Vivaldi antenna

图2 f=1 GHz的天线方向图Fig.2 Directional diagram of the antenna at frequency of 1 GHz

图3 f=1 GHz的天线E面方向图Fig.3 E-plane directional diagramof the antenna at frequency of 1 GHz

2 Vivaldi天线双站RCS特征及表面电流分布

2.1 Vivaldi天线双站RCS特征

平面波沿Y轴极化、-Z方向传播,天线端口处于阻抗匹配状态,天线的散射主要是结构项散射,仿真得到天线双站RCS如图4所示。

沿φ=90°切割得到双站RCS的剖面图形如图5所示。

图4 端口匹配状态下天线双站RCSFig.4 Bistatic RCS of the antenna with matched port

图5 天线双站RCS的剖面图形Fig.5 Cross section of bistatic RCS of the antenna

比较图3、图5可以发现,天线的E面方向图与天线双站RCS的剖面图刚好是相反的。

如果天线端口处于开路状态,仿真得到双站RCS的剖面图形如图6所示。

图6 端口开路状态下的天线双站RCS剖面图形Fig.6 Cross section of bistatic RCS of the antenna with opened port

比较图5、图6可以发现,天线处于开路状态时后向散射的幅度与前向散射的幅度基本相同。分析原因是由于天线处于开路状态时,RCS以模式项散射为主,模式项散射的电磁波相当于天线进行了二次辐射;天线处于阻抗匹配状态时,RCS以结构项散射为主。由于阻抗匹配条件下,天线负载吸收了一半的电磁能量,端口开路时这部分电磁能量几乎全部形成后向散射,从而造成开路状态下后向散射的幅度与前向散射的幅度基本相同。

同样可以得到6 GHz频率下天线方向图和双站RCS分别如图7、图8所示。

图7 f=6 GHz的天线方向图Fig.7 Directional diagram of the antenna at frequency of 6 GHz

图8 f=6 GHz的天线双站RCSFig.8 Bistatic RCS of the antenna at frequency of 6 GHz

因此从仿真结果可以看出,天线从最大辐射方向照射的双站RCS与天线方向图也是基本相同的。下面从天线的电流分布入手,对天线双站RCS和方向图之间的内在联系进行分析。

2.2 Vivaldi天线表面电流分布

1) 发射状态下的天线表面电流分布

以f=1 GHz为例,天线发射时的瞬态电流Jz分量如图9所示,Jy分量如图10所示。

图9 发射时瞬态电流Jz的分布Fig.9 Distribution of instant current Jz when transmitting

从图9、图10可以看出,在天线发射时,两个金属贴片上的Jz分量是等幅反相的,由Jz分量产生的远场辐射互相抵消;Jy分量是等幅同相的,因此远场辐射主要由Jy分量产生。

图10 发射时瞬态电流Jy的分布Fig.10 Distribution of instant current Jy when transmitting

2) 接收状态下的天线表面电流分布

在极化方向沿主极化方向即y轴方向的平面波照射下,天线上的瞬态电流Jz分布如图11所示。

图11 平面波照射下瞬态电流Jz的分布Fig.11 Distribution of instant current Jz illuminated by plane wave

电流分量Jy的分布如图12所示。

图12 平面波照射下瞬态电流Jy的分布Fig.12 Distribution of instant current Jy illuminated by plane wave

从图11、图12可以看出,在天线接收时,两个金属贴片上的感应电流分量Jz等幅反相,Jy等幅同相,由Jz分量产生的散射场互相抵消,散射场主要由Jy分量产生。比较图10、图12可以看出,发射和接收状态下的电流分量Jy略有不同,图10中馈线处的电流围绕谐振环成圆形分布,与图12略有差异。这是因为天线辐射实际是球面波,而不是标准的平面波,这也是造成天线方向图与双站RCS略有差异的主要原因。

3 仿真结果分析

通过对Vivaldi天线方向图和双站RCS进行仿真可以看出,阻抗匹配状态下,天线方向图与双站RCS基本一致,但方向相反。通过对天线表面电流分布进行仿真发现,不管天线处于发射状态还是接收状态,电磁场都主要由天线表面的电流分量Jy产生。在发射和接收两种状态下,电流的分布基本相同而传输方向相反,因此天线的辐射方向图和散射方向图正好相反,这正是Vivaldi天线具有较小后向散射的原因。

天线处于开路状态时后向散射的幅度与前向散射的幅度基本相同。这是由于天线处于阻抗匹配状态时,RCS以结构项散射为主。阻抗匹配条件下,天线负载吸收了一半的电磁能量;端口开路时这部分电磁能量几乎全部形成后向散射,从而造成开路状态下后向散射的幅度与前向散射的幅度基本相同。因此开路状态下,Vivaldi天线同时存在结构项散射和模式项散射,并且结构项散射RCS和模式项散射RCS基本相同,这也进一步验证了天线的辐射方向图和散射方向图是一致的。天线方向图与双站RCS的这种内在联系说明无法通过金属贴片开孔等方式缩减主瓣方向上的双站RCS而不影响到天线方向图。

4 结论

本文对Vivaldi天线的RCS进行了仿真分析,从天线主瓣方向进行照射时,天线双站RCS分布与天线方向图基本一致,但方向相反。通过对天线上的电流分布进行仿真分析,认为造成这种现象的原因是发射和接收状态下天线上电流分量Jy的分布基本相同,而电流的滞后位相反。因此无法通过金属贴片开孔等方式缩减主瓣方向上的双站RCS而不影响到天线方向图。