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带内低散射微带天线及其阵列研究

徐唯伟  
【摘要】:雷达散射截面(RCS)的分析与计算一直是电磁散射研究的一个重要课题。而如何降低雷达散射截面则是课题研究中的关键。在当今世界,电子战与信息战的飞速发展对飞行器和雷达的隐身技术提出了更高的要求,而必须对外界保持电磁波畅通的天线的RCS如何缩减自然成为隐身技术中的关键问题之一。本文旨在研究保持天线辐射特性基本不变前提下的天线RCS缩减技术,从天线的散射机理出发,主要针对微带天线及其阵列工作频带内的RCS缩减问题,研究了散射特性与天线结构的关系,探索了减小天线RCS的方法和途径。 本文的主要工作和创新点如下: 1.以直线型偶极天线、空间螺旋型偶极天线、平面螺旋型偶极天线为例,对不同结构天线的辐射特性和散射特性进行了对比研究,以此说明,虽然不同结构的天线可以具有基本相同的辐射特性,但其散射特性却有很大的差别,这是本文研究低散射天线的理论基础和出发点。同时研究也发现,不同的天线结构可以形成不同的近场分布(影响其电磁兼容性),因此在设计天线结构时需要在辐射特性、散射特性及近场特性上求得平衡。 2.研究了微带天线自身固有的散射特性(结构模式散射),发现天线固有的最低散射所对应的频点(本文称为散射谐振点)与天线辐射频点一般不重合,从而使得天线带内的散射较大。为此,提出了通过调节馈电点位置(偏馈)使微带天线工作频带与其最低固有散射频带重合的方法,从而显著降低了天线工作频带内的RCS。在此基础上,进一步提出了两种改进的对称馈电结构,可以使天线在保持带内低散射特性的同时,有效抑制由于偏馈带来的交叉极化电平升高的问题。 3.提出了一种在传统微带天线辐射贴片上加载电磁带隙(EBG)结构所形成的新型复合贴片天线。这种新型复合贴片天线将传统的微带辐射贴片与蘑菇型EBG结构融合为一体,可在保证天线辐射性能和天线平面尺寸基本不变的前提下,有效地减小天线工作频带内的RCS。同时,EBG结构的引入展宽了天线的工作带宽,使天线RCS减小的同时提高了性能。 4.提出了在微带天线的地板上进行缝隙加载以减小天线带内RCS的方法,并对地板带缝隙的微带天线单元和天线阵列分别进行了研究。在此基础上,为消除因地板开缝带来的天线后向辐射场增强的问题,进一步提出了在地板所开缝隙处加载1/4波长短路谐振腔的方法。结果表明,带谐振腔的缝隙加载可以在天线辐射特性变化不大情况下、在法向一定的角度范围内降低RCS。 5.针对稀疏天线阵列结构,提出了一种无源相消技术,即在稀疏天线阵的稀疏空间内设计散射相位与辐射单元相反的非辐射单元,使非辐射单元产生的散射场与辐射单元产生的散射场相抵消,从而达到缩减天线工作频带内RCS的目的。仿真结果表明,这种无源相消技术可以一定程度上降低稀疏阵天线的RCS。


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