1.   引言

随着雷达与防空技术越来越强大，飞机的隐身技术成为了军事作战领域重要的研究对象。天线由于需要向外辐射电磁波，所以天线的雷达散射截面积(Radar Cross Section, RCS)对其所搭载的隐身设备的总雷达散射截面贡献很大^[1]。因此，降低天线的RCS已经迫在眉睫，对于如何降低天线的RCS成为近年来的研究热门^[2–4]。传统方法是通过外形设计，涂覆吸波材料等手段，这些方式大多只能实现天线带外的RCS减缩，且缩减带内RCS常常是以牺牲天线的辐射性能为代价^[5–7]。微带天线具有低剖面，低副瓣，易共形等优点，容易实现双频段^[8]、双极化^[9,10]等功能，常被应用于各种飞行器中。近些年来，超材料凭借着其奇异的电磁特性，受到越来越多学者的关注，同时随着它的出现和发展也给减缩天线RCS提供了新的方法和思路。且在微带天线与电磁超表面一体化设计方面已有应用^[11]。对有效减缩微带天线带内的RCS具有广阔的实用价值。

文献[12]将各项异性的人工磁导体视为2种人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC)单元，排布在天线周围，实现了天线的RCS减缩，同时提高了天线增益。文献[13]将2种不同角度放置的极化旋转表面单元，以编码的形式组成编码超表面，加载到天线周围，同时实现了带内带外的RCS减缩。文献[14]通过加载人工磁导体材料，并与天线共形，有效地减缩了天线带内外的RCS。文献[15]通过在接地板上开槽，有效减缩了其带内的RCS。尽管现有文献实现了单个天线RCS的有效减缩。但对于天线阵而言，有限的阵元间距限制天线阵的宽带RCS减缩。

本文利用电磁超表面与微带贴片天线结构的高度相似性，将天线单元既作为辐射单元又作为散射单元，设计了2种辐射特性一致的超表面天线，并将两种天线单元进行棋盘布阵。2种超表面天线单元均采用L型耦合馈电，相比于传统同轴馈电，有效拓宽了天线的工作带宽，相对带宽达到31%，同时在x极化波和y极化波照射下分别利用相位相消及匹配负载吸收实现了天线阵带内散射能量的抑制。实测与仿真结果表明：该天线阵列在保持天线单元宽带辐射性能的同时实现了带内RCS的有效减缩，最大减缩量达到31 dB。

2.   单元设计与分析

2.1   单元结构尺寸

天线单元结构和参数如图1和表1所示，天线单元大小$a ={\rm{ 25}}\;{\rm{mm}}\left( {{\rm{0}}{\rm{.49}}\lambda } \right)$，天线由上下2层介质板和h = 3.5 mm的空气层构成。介质板采用介电常数${\varepsilon _r} = 2.65$，损耗角正切的聚四氟乙烯玻璃布板，厚度t = 1.0 mm。其中上层介质的下表面刻蚀有矩形小贴片与同轴线相连接组成L型馈线实现对上层介质的上表面贴片耦合馈电，同轴线为了便于加工选择穿透矩形小贴片至上层介质的上表面，仿真后发现突出部分同轴线对天线辐射几乎没有影响。其中矩形小贴片的大小为：l₁ = 1.2 mm, b₁ = 0.7 mm。为了简化描述，该天线单元命名为E1。

图 1  天线单元E1

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表 1  天线单元E1

参数	a	w1	l1	h	t	p1	b1
尺寸 (mm)	25.0	10.0	1.2	3.5	1.0	20.0	0.7

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在商用软件HFSS中建模分析天线单元特性，根据天线所受激励的不同，采用不同的边界仿真。首先在辐射边界和集总端口(端口匹配为${\rm{50}}\;\Omega$)激励下，分析了超表面天线的辐射特性，如图2所示。图2(a)分析了L型馈线的边长l₁对天线辐射性能影响进行了分析，L型馈线的边长l₁对天线的谐振深度影响较大，对天线的谐振频点影响较小。图2(b)和图2(c)为反射系数随贴片尺寸变化的趋势，矩形贴片边长w₁的变化(沿y轴长度)对天线的谐振频率影响较大。随着w₁增加，整个天线工作频带向低频移动。而由于沿x轴方向的电流很小，矩形贴片边长p₁的变化(沿x轴长度)对天线的谐振频率影响较小。

图 2  金属贴片尺寸变化对E1反射系数的影响

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仿真了在主从边界，floquet端口激励下，将天线单元E1作为电磁超表面时对应的反射特性。由图3(a)可知，加载匹配负载后，l₁对y极化下电磁超表面的反射幅度有很大的影响，但对x极化下电磁超表面的反射幅度没有影响，依然表现为全反射。因此天线的馈电部分仅影响y极化波下的吸波特性。这说明了单元在y极化下，加载匹配负载后，主要是被馈电端口的${\rm{50}}\;\Omega$阻抗匹配吸收。由图3(b)和图3(c)可知，加载匹配负载后，w₁对x极化波的反射相位影响较小，但对y极化波的反射相位影响较大。由图3(d)和图3(e)可知，加载匹配负载后，p₁对y极化波的反射相位影响较小，但对x极化波的反射相位影响较大。为进一步分析p₁对x极化波的反射特性的影响，将p₁减小，如图4所示，x极化波激励起的表面电流路径变短，反射零频点向高频移动。

图 3  金属贴片尺寸变化对E1散射特性的影响

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图 4  x极化波激励起的表面电流

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根据以上分析，优化设计了E1使工作在5.9～8.5 GHz。天线在加载匹配负载时，在y极化下，天线带内具有较高的吸波率，在x极化下，类似于全反射，天线在x极化下的强反射需要得到进一步抑制。为实现E1在x 极化下反射率的下降，基于E1设计新天线将其命名为E2，如图5所示，基本参数如表2所示。应尽可能保证边长w₁=w₂，可保证天线的谐振频率几乎不变。尽量对p₂进行长度的调整，使E2在被x极化波照射时，电流路径减小，零点反射相位向低频移动，从而与原始单元E1形成相位差，再通过棋盘布阵设计天线阵列，可实现x极化下基于相位相消的低RCS设计。最后通过优化边长l₂实现E2在谐振频点具有良好的阻抗匹配。

图 5  天线单元E2

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表 2  天线单元E2

参数	a	w2	l2	h	t	p2	b2
尺寸 (mm)	25.0	10.0	1.2	3.5	1.0	10.0	0.7

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从辐射角度分析2种单元，图6为天线的|S₁₁|和天线的增益。E2的工作频段为6～10 GHz，谐振带宽(50%)相对于E1(31%)扩宽。取E1和E2单元天线各自工作频段的交集作为天线阵的工作频段(6～8.5 GHz)，保证了2种天线在工作频段内辐射性能上存在较好的一致性。图7为天线工作于6.7 GHz和8 GHz的方向图，两者的方向图近乎完全重合。

图 6  E1和E2反射系数及增益

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图 7  E1和E2单元辐射方向图

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图8为2种天线作为电磁超表面时，在y极化下的反射特性，可知在y极化下，均存在较高的吸波率，且反射相位不存在有效相位差带宽。由图9所示可知在x极化下，两者几乎都是全反射，在4.5～9 GHz存在${180^ \circ } \pm {30^ \circ }$相位差。满足相位相消的条件，实现RCS减缩。

图 8  y极化下的反射特性

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图 9  x极化下的反射特性

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3.   低RCS天线阵列的设计与分析

参考2种天线单元组合成天线阵与单一天线组合成的天线阵的辐射性能差异，将16个单一的E1单元组成的天线阵称为C1，再将16个单一的E2单元组成的天线阵为C2。为了表现出电磁超表面的周期特性，所以每种天线的单元块都是2$\times$2组合，再通过棋盘布阵的形式设计成4$\times$4的天线阵，该天线阵为C3。天线阵的编码顺序采用单元块及单元块的单元两级逆时针分块编码，3种天线阵的具体编码如图10所示。由于3种天线阵的各自对角线上的天线单元类型相同，所以相邻单元块上且类型不同的单元作为对比，即取E11₃, E21₃, E31₃，来比较阵元的反射系数。图11(a)为天线的|S₁₁|，3种阵列天线的|S₁₁|曲线几乎重合，均工作于6.0～8.5 GHz。图11(b)为3种天线阵在6.7 GHz处的方向图，C1, C2, C3方向图的主极化几乎一致，且都实现了对交叉极化波很好的抑制。图11(c)为3种天线阵的增益曲线。由以上分析可知，C3具有与C1和C2几乎相同的辐射特性，实现了2种超表面天线布阵后相比与单一天线阵依然能保持良好的辐射特性的猜想。

图 10  天线阵列

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图 11  天线辐射特性

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图12为3种阵列作为电磁超表面反射阵的单站RCS，并与相同大小的金属板的RCS比较，为了简化描述，金属板用M1代替。在x极化波垂直照射下，C1, C2与M1相比有一定的RCS减缩。

图 12  天线阵列散射特性

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但C3相比于C1, C2, M1均在4.2～10.5 GHz实现了6 dB以上的RCS减缩，相对带宽达86%。在y 极化波垂直照射下，C3的单站RCS曲线介于C1, C2的单站RCS曲线之间。这很好地解释了C3对于y极化方向电磁波反射率的降低是通过${\rm{50}}\;\Omega$的负载阻抗对电磁波的吸收来实现的。图13为C1, C2, C3和M1在2个极化下，各自RCS减缩峰值所对应频点6.7 GHz处的3维散射方向图。由图13(a)可知，由于${\rm{50}}\;\Omega$阻抗匹配负载的存在，在y极化电磁波照射下C1, C2, C3的最大反射波峰值要小于M1的最大反射波峰值。由图13(b)可知，在x极化电磁波照射下，最大反射波峰值方向已经发生了改变，C1, C2为天线阵的法向方向，而C3的反射波被分散到4个对角线区域，而在天线阵的法向方向处的反射能量非常小，这说明C3对x极化电磁波的低RCS特性是利用了相位相消原理。

图 13  电磁波散射方向图

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4.   加工实测

4.1   超表面天线散射性能测量

图14为加工的天线阵实物和功分器，并在微波暗室中利用Agilent N5230C矢量网络分析仪对天线|S₁₁|曲线进行了测试；用2个宽带标准喇叭天线采用自由空间法测量天线的散射性能，如图15所示。天线阵实物测试了3.0～11.0 GHz频段天线的反射系数曲线。

图 14  天线加工图及功分器

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图 15  天线单站RCS测试图

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图16(a)为天线阵在垂直入射时x极化下的单站RCS。C3相比与C1, C2, M1均具有明显的RCS减缩，图16(b)为C3与M1的相对RCS缩减量的实测数据与仿真数据的对比。C3在x极化下出现了2个减缩峰值。在7.9 GHz处，RCS缩减量最大为21.07 dB。图17(a)为天线阵在垂直入射时y极化下的单站RCS。C3, C1, C2，相比M1在频带内均具有较明显的RCS减缩，由图17(b)为C3相比于M1的相对RCS缩减量的实测数据与仿真数据的对比。C3在y极化下有整体的RCS缩减趋势。在7.7 GHz处，RCS缩减量最大为5.38 dB。

图 16  x极化下天线阵列散射特性

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图 17  y极化下天线阵列散射特性

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在x极化与y极化下实测与仿真数据都存在一定差异，其中的差异是由于加工误差以及测试时反射屏摆放位置,馈线和接口的传输损耗引起的，经过反复测试，其结果与仿真结果趋势基本一致。验证了所设计的超表面天线具有宽带低RCS特性。

4.2   超表面天线辐射性能测量

图18与图19为天线分别在6.7 GHz, .0 GHz处的实测xoz面、yoz面辐射方向图。可以看出在谐振频带内，C3辐射性能基本与C1, C2一致。实测验证了2种天线单元组合成天线阵与单一天线组合成的天线阵在辐射性能上是几乎一致的。

图 18  6.7 GHz处方向图

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图 19  8.0 GHz处方向图

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5.   结论

本文利用设计的天线单元同样具有电磁超表面单元的特性，将天线单元既作为辐射单元又作为电磁超表面单元，设计了一种宽带低散射超表面天线阵。通过将两种工作在同一模式、同一频段的天线单元以棋盘形式布阵构造了4$\times$4超表面天线阵，利用相位相消及吸波原理分别实现2种极化下带内RCS减缩。本文的研究有效解决了天线阵辐射和散射不能兼顾的矛盾，随着阵列规模的扩大同样可以实现较好的RCS减缩效果，为大规模低散射天线阵提供了一个全新的设计思路。