采用间距优化的阵列天线RCS减缩方法研究
附加延时线的阵列天线模式项RCS减缩优化
附加延时线的阵列天线模式项RCS减缩优化王文涛;张鹏飞;龚书喜;王兴;洪涛;路宝【摘要】减缩天线雷达散射截面时需要保证天线的基本辐射性能,这使得对其带内的雷达散射截面控制变得十分困难.为此,提出了加载不等长延时线的方法来实现阵列天线模式项雷达散射截面的减缩.由于天线模式项散射实质上是天线接收的入射能量经馈电内部不匹配处反射而从天线再次辐射所致,当给阵列单元与馈电网络之间接入一组延时线后,辐射能量只经过这组延时线一次,而散射能量却要通过两次.因此,优化每根延时线长度,调整辐射与散射间的相位差,就可在天线基本工作性能不变的前提下减缩其雷达散射截面.对双站、单站雷达散射截面减缩的实例表明,采用上述方法可使天线模式项雷达散射截面减缩14dB以上.%The radiation performance of an antenna must be ensured when reducing the antenna radar cross section (RCS), which makes the in-band RCS difficult to control.For this reason, this paper presents the method of loading delay lines with a varying length to achieve the antenna-mode RCS reduction of an array antenna.Antenna-mode scattering is essentially the reradiation of reflected energy, which comes from the electromagnetic wave received by the antenna and reflects at the mismatched point of the feednetwork.When a group of delay lines is loaded between the array elements and the feed network, the radiation energy passes through these delay lines once, while the scattering energy passes them twice.Therefore, by optimizing the length of each delay line and adjusting the phase difference between radiation and scattering, the antenna RCS can be reduced with a little degradation in radiation performance.The proposed examples ofmonostatic and bistatic RCS reduction show that the antenna-mode RCS can be reduced more than 14 dB by this method.【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(038)002【总页数】5页(P124-128)【关键词】阵列天线;天线模式项散射;雷达散射截面减缩;延时线【作者】王文涛;张鹏飞;龚书喜;王兴;洪涛;路宝【作者单位】西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西西安,710071;西安电子科技大学,天线与微波技术重点实验室,陕西西安,710071【正文语种】中文【中图分类】O441.4天线不同于一般散射体,当平面波照射天线时,天线不但会像普通物体一样反射入射波,而且还会以辐射体的形式将截获的入射能量再次辐射出去.文献[1]将天线这种与普通散射体机理相同的散射称为结构模式项散射,而将其作为辐射体导致的二次辐射称为天线模式项散射.结构模式项散射是因天线外部结构的存在而固有的,与天线的尺寸、结构有关;而天线模式项散射与天线的辐射机理相似,因此受馈电结构和端接负载的影响较大.阵列天线的散射场也可分为这两部分,文献[2]给出了对阵列天线的散射分析,通过对9元天线阵两种散射场的分离可知,由于阵列天线具有较高的增益和复杂的馈电网络,因而经常会有较大的天线模式项散射.对于目前战争所处的复杂电磁环境,高雷达散射截面(RCS)无疑意味着高截获概率,这显然不利于天线及其载体的生存.现有的天线雷达散射截面减缩手段主要包括改变天线外形、涂覆吸波材料、阻抗加载、使用天线罩等技术[3-6].这些方法主要通过调整天线相应的谐振尺寸或是以吸收、反射入射波的方式来实现天线雷达散射截面减缩.然而,当入射波频率等于天线工作频率,即在天线工作频带内时,这些方法往往会使辐射性能恶化而难以控制天线的带内散射.在天线工作频带内,对天线结构模式项散射的控制需要对相应的天线谐振尺寸进行调整,这往往也会导致天线辐射性能下降.因此,笔者主要研究带内的天线模式项散射的减缩.由于天线模式项散射的本质是天线的二次辐射,而造成二次辐射的能量来自于天线截获能量在系统内部不匹配处的反射,其能量传输的路径与天线辐射时的路径有着本质的差异.笔者分析了这一差异,并据此在天线端口接入一组用来移相的不等长度的延时传输线以使天线模式项散射峰值偏离阵列最大辐射方向,达到控制天线模式项散射的目的.笔者采用矩量法(MoM)计算天线的辐射、散射特性,并通过粒子群算法(PSO)来优化传输线长度.1.1 天线散射基本理论在天线雷达散射截面分析、减缩过程中,需要将天线的结构模式项散射场和天线模式项散射场分离,来为控制天线雷达散射截面提供依据.天线散射场的分离通常采用开路短路法,文献[6]给出了分离的具体过程.设天线端接开路和短路负载时,得到的天线散射场分别为ES(∞)和ES(0),则对应于任意接收机负载ZL的散射总场为其中,ΓL为接收机负载反射系数;ΓA为天线反射系数;Est被称为结构模式项散射场,对应于接收机端接匹配负载(ΓL=0)情形的散射场;Ean被称为天线模式项散射场,对它的抑制是天线带内雷达散射截面减缩的难点.经球面波函数展开的方法,可得到天线模式项散射场的另一表达式[6]:式中,为匹配接收幅度;E0表示单位幅度源激励情形下天线的辐射电场.式(2)反映了天线模式项散射场形成的实质:在入射波照射下,天线首先作为接收装置接收到一部分入射能量(对应于式(2)第1项因子);然后,这部分能量经负载、馈线网络的反射返回天线馈电端口(对应于式(2)第2项因子);最后,天线再以发射装置的身份将反射的能量作为激励信号辐射到外部空间(对应于式(2)第3项因子).对阵列天线的散射分析要复杂得多.忽略天线单元间的互耦及各单元的差异,可以得到n元阵列的天线模式项散射场[2]为其中,同样为匹配接收幅度,即天线在所有单元端口均匹配的情况下,受入射波激励时阵列中心0号单元端口的接收幅度;ki、k分别表示入射、辐射时的波矢量;ρj为第j 号单元在阵列中的位置矢量;表示0号单元在单位幅度源激励情形下的辐射电场.可以看出,阵列天线模式项散射场的形成同样经历着一个接收—反射—辐射的过程.1.2 附加延时线在天线散射控制中的应用在天线散射控制中,带内雷达散射截面之所以难以减缩,一个重要的原因就是天线模式项散射产生的实质是天线的二次辐射.对带内散射的抑制往往会导致天线辐射性能恶化.虽然天线模式项散射与天线辐射有着密不可分的联系,但两者还是有差别的,即在天线辐射时,能量仅仅经过信号源到天线这条路径一次,而天线模式项散射的产生需要能量通过这条路径两次.对于阵列天线,若各辐射单元到信号源路径的电长度相同,则阵列天线各单元受到的馈电同相.忽略传输线损耗,改变各单元到信号源路径的长度,则各单元受到的馈电将有一组相位差.采用相位综合技术优化这组相位差,往往会得到如低副瓣、波束扫描等优良特性.由上述对天线模式项散射形成的分析可知,由于散射的传输路径与辐射情况不同,当入射波照射时,阵列各单元二次辐射所需的激励能量在失配处反射前后都经历了一次相位的变化,因而最终导致散射场的变化趋势与辐射场的变化趋势不同.可以通过优化相位使阵列的天线模式项散射峰值偏离最大辐射方向,从而在一定空域内实现雷达散射截面减缩.如图1所示,在原天线阵列单元(端口a处)与馈电网络(端口b处)之间接入一组长度不等的传输线(如同轴线、微带线等)作为相位延时线.设对应于单元j的传输线的电长度为βj,则当天线辐射时所有传输线移相相位B=[β1,β2,…,βj,…,βn].当天线受到入射波照射时,入射能量两次通过这段传输延时线后,天线模式项二次辐射的相位变为2B.通过优化变量B,便可得到满足辐射要求且具有较低雷达散射截面的阵列. 1.3 优化目标的适应度函数矩量法以其高精度被广泛应用于电磁计算[7],粒子群算法作为一种高效的优化算法已被成功应用于天线阵列综合[8].因此,笔者采用矩量法计算天线辐射及天线模式项雷达散射截面,并通过粒子群算法完成参数优化.其中,目标函数的设计对整个优化过程至关重要.考虑到附加传输线会对阵列辐射性能造成一定的影响,因此,这里以阵列增益和最大副瓣电平这两个重要辐射指标为参考给出如下的目标函数:其中,G为计算得到的阵列增益;Gd为目标增益,通常等于或略大于参考阵列(原阵列)的增益.若将G定义为优化前参考阵列最大辐射方向处的增益,则优化时,随着该方向上的值不断减小,阵列合成的增益将不断靠近目标增益Gd,从而保证阵列天线的最大辐射方向不发生偏移.VSLL为阵列的最大副瓣电平值,Si为阵列在第i个角度抽样点下的天线模式项雷达散射截面值,两者同样也会随着优化的进行不断减小.a1,a2,a3为权值系数,用于调节各个参数的比例,这些权值反映了天线散射控制实际上是对高辐射性能与低散射特性间矛盾的折中.a1,a2,a3值的选取应参考具体的需求,原则上应使式(4)右边的3项保持在同一数量级.为实现对雷达散射截面的最大控制,也可在阵列辐射性能不恶化的前提下尽量增大a3以提高散射在优化中的比重. 实例1考虑一个工作于1GHz、单元间距0.4倍波长的16元对称振子阵列.如图2所示,振子臂沿Y轴方向摆放,阵列沿X轴方向排列.以不加延时传输线的阵列为原阵列,其最大辐射方向在θ=0°方向.当入射平面波以φ极化沿θ=0°方向入射时,在其镜面方向将会形成最大的散射峰值,这对天线隐身是不利的.这里,不失一般性地以双站角θ∈[-30°,30°]为威胁角域来优化天线模式项雷达散射截面.设权值系数[a1,a2,a3]=[3,2,1],经过种群规模为40的500代优化,最终得到的移相相位B=[157.76°,56.08°,152.91°,68.56°,156.45°,65.37°,155.41°,62.72°,151.43°,67.8 9°,156.98°,50.63°,117.66°,179.99°,74.16°,172.70°].以其对应长度的传输线接入端口a与b之间便得到了低散射阵列,通过HFSS建模计算得到的增益方向图与天线模式项雷达散射截面[9]的比对结果如图3所示.在图3(a)中,X-Z面方向图优化的阵列与原阵列的最大副瓣电平几乎相同,但优化后阵列增益有0.81dB的损失.图3(b)给出了优化前后的天线模式项雷达散射截面曲线,可见原阵列最大的雷达散射截面峰值出现在0°方向,这与天线最大辐射方向相同.对于飞行器等天线载体来说,该方向附近的区域正是最容易被探测雷达截获的空域,也是天线雷达散射截面减缩的关键角域.而接入延时传输线后,在这一威胁角域内天线模式项散射完全得到抑制,0°方向上的最大峰值获得了约17dB的减缩,效果明显.实例2单站散射可以认为是双站散射的特例,即照射源与观察点位于同一点时的双站散射.本例考虑一个工作于1 GHz、单元间距0.4倍波长而单元数为12的对称振子阵列.这里,不失一般性地以单站角θ∈[-20°,20°]为威胁角域,设优化的权值系数[a1,a2,a3]=[2,2,1],经过种群规模为30的450代优化,最终得到的移相相位B=[162.54°,50.98°,139.83°,68.83°,161.08°,81.33°,167.24°,75.02°,167.23°,86.3 4°,179.82°,120.34°].将对应长度的传输线接入端口a与b之间,采用HFSS软件建模计算[9],得到的辐射与散射比对结果如图4所示.可见,优化的阵列与原阵列相比仅有0.93dB的增益损失,而天线模式项雷达散射截面却得到明显减缩.如图4(b)所示,威胁角域内原阵列的天线模式项雷达散射截面峰值完全被抑制,最大峰值得到14.1dB的减缩.而加载延时线后的阵列在威胁角域之外的-37°和38°处生成了两个较大的峰值,这说明,采用的延时线实际是通过各个单元的激励相差将天线模式项散射峰值移出优化前设定的威胁角域,从而达到抑制散射的目的.以上分析了天线模式项散射形成的原因,并将其与天线辐射过程相比较.通过分析两者间的差异,提出了在阵列辐射单元与馈电网络间接入一组延时传输线的方法来使散射峰值偏离最大辐射方向.通过优化这组延时线的电长度,便在辐射性能损失可接受的范围内,找到使天线模式项雷达散射截面最小的一组解.所给的两个优化实例表明,该方法能有效地使天线模式项峰值偏离出威胁角域,从而在一定空域内实现雷达散射截面减缩.【相关文献】［1]Knott E F，Shaeffer J F，Tuley M T.Radar Cross Section ［M].Raleigh：Sci Tech Pub，2004.［2]张鹏飞.隐身技术中的雷达散射截面预估与控制［D].西安：西安电子科技大学，2008.［3]Jiang W，Liu Y，Gong S X，et al.Application of Bionics in Antenna Radar Cross Section Reduction［J].IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2009（8)：1275-1278.［4]Li Youquan，Zhang Hui，Fu Yunqi，et al.RCS Reduction of Ridged Waveguide Slot Antenna Array Using EBG Radar Absorbing Material［J].IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2008（7)：473-476.［5]Volakis J L，Alexanian A，Lin J M.Broadband RCS Reduction of Rectangular Patch by Using Distributed Loading ［J].Electronics Letters，1992，28（25)：2322-2323.［6]刘英.天线雷达散射截面预估与减缩［D].西安：西安电子科技大学，2004.［7]陈胜兵，焦永昌，张福顺，等.基站天线间耦合影响的矩量法分析［J].西安电子科技大学学报，2003，30（2)：247-250.Chen Shengbing，Jiao Yongchang，Zhang Fushun，et al.Analysis of the Mutual Coupling Effects Between the Base station Antennas by MoM ［J].Journal of Xidian University，2003，30（2)：247-250.［8]焦永昌，杨科，陈胜兵，等.粒子群优化算法用于阵列天线方向图综合设计［J].电波科学学报，2006，21（1)：16-25.Jiao Yongchang，Yang Ke，Chen Shengbing，et al.Application of Particle Swarm Optimization in Antenna Array Pattern Synthesis［J].Chinese Journal of Radio Science，2006，21（1)：16-25.［9]Liu Y，Fu D M，Gong S X.A Novel Model for Analyzing the Radar Cross Section ofMicrostrip Antenna［J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2003，17（9)：1301-1310.。
具有超宽带RCS减缩特性的天线设计
具有超宽带RCS减缩特性的天线设计吉地辽日;曹祥玉;高军【摘要】该文设计了两种人工磁导体(AMC)单元,在8～20 GHz的超宽频带内,两种AMC结构能够实现180°±37° 的反射相位差,将这两种单元组成棋盘结构时,能够实现入射电磁波的散射场相消,从而在超宽的频带内实现棋盘表面法向雷达散射截面(RCS)的显著减缩.同时,利用超表面天线的概念,设计馈电网络,将设计的AMC 结构用做天线,仿真发现在9.08～10.30 GHz的范围内,天线的S11小于–10 dB,可以实现天线的有效辐射.实测结果和仿真吻合较好,因此该文的棋盘结构可以实现具有RCS减缩特性的天线设计.【期刊名称】《电子与信息学报》【年(卷),期】2019(041)001【总页数】8页(P115-122)【关键词】天线;棋盘结构;RCS减缩【作者】吉地辽日;曹祥玉;高军【作者单位】空军工程大学信息与导航学院西安 710077;空军工程大学信息与导航学院西安 710077;空军工程大学信息与导航学院西安 710077【正文语种】中文【中图分类】TN8231 引言超材料表面(Metasurface)简称超表面，是一种人工设计的由半波长单元组成的超薄结构[1]，自2011年美国《科学》杂志上刊登了一篇关于使用超材料表面来实现电磁波的异常反射和异常透射以来[2]，超材料表面就引起了各国学者广泛的关注，作为一种具有亚波长结构的金属阵列，超表面能够灵活地操控电磁波，实现对反射波或者透射波的幅度、相位和极化等特性进行人工调控[3,4]，因此，超表面在军事和民用上面均有重要的应用前景，比如目标隐身技术、微波与光电子器件以及天线技术等，超表面在提出后就一直成了超材料领域的研究热点[5–8]。
人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)是超材料表面的一种，它又称为高阻抗表面，其具有的同相反射特性可以在军事隐身中具有重要的应用前景[9]，AMC的反射相位为0°，而理想电导体(Perfect Electric Conductor,PEC)的反射相位是180°，将两者按照一定的规律组合在一起，可以将垂直入射到其表面的电磁波散射相消，从而减少目标的后向散射[9]。
微带天线RCS减缩技术的研究的开题报告
微带天线RCS减缩技术的研究的开题报告一、论题的背景和意义随着雷达技术的不断发展，对目标回波信号的分析和识别的精度和速度要求越来越高。
然而，由于微带天线的体积小，结构简单、重量轻，易于制造、集成和安装，使得它成为了各种雷达系统和通信系统中普遍采用的一种天线。
但是，微带天线的辐射电场主要集中在其表面，而其弯曲和锐角处容易产生电场集中现象，导致微带天线的辐射散射特性较差，尤其在超高频（UHF）和甚高频（VHF）段，微带天线的散射截面（RCS）较大，容易被敌方雷达系统探测到。
因此，对于微带天线的RCS减缩技术研究具有重要的背景和意义。
通过对微带天线的结构、材料和表面特性进行改善和优化，可以有效的降低微带天线的RCS值，提高其隐身性能，降低被探测的可能性，保证通信和雷达系统的安全性和稳定性。
因此，本文将探讨微带天线RCS减缩技术的研究，为未来微带天线技术的发展提供参考和借鉴。
二、论文的研究内容和方法本文的研究内容主要包括以下几个方面：1.微带天线的结构优化。
通过采用合理的结构设计、优化天线的形状和尺寸、选择合适的天线材料等，优化微带天线的辐射特性，减小散射截面。
2.微带天线的表面处理。
通过在微带天线表面涂覆吸收材料、金属纳米粒子、镀金、喷雾等处理方式，可以提高微带天线表面的电磁性能，减小微带天线的散射截面。
3.微带天线的多级子表面反射。
采用多级平面反射器降低微带天线的辐射散射，减小微带天线的散射截面，提高微带天线的隐身性能。
论文的研究方法主要包括仿真模拟和实验验证两种方法相结合。
通过ADS等电磁仿真软件对微带天线的特性进行建模和仿真模拟，研究不同的优化方案对天线性能的影响，在实验室中搭建相应的测试平台对研究结果进行验证。
三、预期结果和意义本文所研究的微带天线RCS减缩技术，在未来通信和雷达系统的研究中具有广泛的应用前景和重要意义。
通过对微带天线的结构和表面处理等方面的优化和改进，可以显著降低微带天线的散射截面，达到提高隐身性能的目的，同时也对未来微带天线技术的发展提供了新的思路和研究方向。
UC-EBG在微带阵列天线 RCS减缩中的应用
UC-EBG在微带阵列天线 RCS减缩中的应用李振亚;张建华;杨文凯【摘要】针对微带阵列天线的带内雷达散射截面问题，提出了一种在天线表面加载共面紧凑型光子晶体结构（UC‐EBG），通过散射对消，实现天线雷达散射截面（RCS）减缩的方法。
分析了在不同参数下UC‐EBG结构同向反射相位带隙随频率的变化情况。
仿真结果表明：加载U C‐EBG结构后，阵列天线各个阵元的回波损耗基本保持不变，天线的增益有所增加，同时天线带内RCS最大减缩达到18dB。
证实了U C‐EBG可以应用于阵列天线的带内隐身。
%To solve the problem of microstrip array antenna with the radar cross section reduction ,an UC‐EBG structure is designed to load on the antenna surface to reduce the RCS by cancelling out the reflection wave .The reflection phase band‐gap changing with freque ncy is analyzed under different parameters .The simulated result shows that the return loss of the loaded antenna remains basically unchanged while its gain in‐creases .At the same time ,the largest reduction of antenna in‐band RCS can reach 18 dB ,which p roves that UC‐EBG can be applied to microstrip array antenna to achieve in‐band stealth .【期刊名称】《航天电子对抗》【年(卷),期】2016(032)001【总页数】4页(P39-42)【关键词】微带阵列天线;UC-EBG;RCS【作者】李振亚;张建华;杨文凯【作者单位】电子工程学院，安徽合肥230037;电子工程学院，安徽合肥230037;电子工程学院，安徽合肥230037【正文语种】中文【中图分类】TN97;TN822随着探测和隐身技术的飞速发展，飞行器以及舰艇等目标的RCS与以前相比下降了1到2个数量级，加上FSS结构、吸波材料、高阻抗表面等隐身新材料的发展以及应用，飞行器等隐身目标自身的RCS已经变得非常小。
微带天线的RCS缩减技术研究的开题报告
微带天线的RCS缩减技术研究的开题报告一、选题依据和意义微带天线在通信、雷达、遥感等领域有着广泛的应用。
然而，在实际应用中，微带天线的雷达散射截面（RCS）往往会影响其物理隐身性能，给通信和遥感系统的干扰带来一定的影响。
因此，如何降低微带天线的RCS成为了研究的热点之一。
目前，针对微带天线的RCS缩减技术主要有基于平面波波导阵列技术的缩减方法、基于统计建模的缩减方法、基于材料和加工制造的缩减方法等。
这些缩减方法均存在一定的局限性，如缩减效果有限、代价昂贵等。
因此，本文将重点研究基于新型结构设计的微带天线RCS缩减技术，旨在开发一种新的、具有优良性能且低成本的微带天线RCS缩减解决方案，为微带天线在通信、雷达、遥感等领域的实际应用提供支撑。
二、研究内容和方法（一）研究内容1. 调研微带天线RCS缩减技术研究的现状和发展趋势；2. 基于新型结构设计，提出一种微带天线RCS缩减方案；3. 对方案进行仿真验证和理论分析；4. 结合实际制造中的工艺因素，对方案进行优化；5. 对优化后的方案进行实验验证，并对实验结果进行分析和总结。
（二）研究方法1. 文献资料调研法：调研微带天线RCS缩减技术的现状和发展趋势；2. 数值仿真法：对微带天线RCS缩减方案进行仿真验证和理论分析；3. 质量工程方法：结合实际制造中的工艺因素，对方案进行优化；4. 实验方法：对优化后的方案进行实验验证，并对实验结果进行分析和总结。
三、预期研究结果1. 实现一种新型的、具有优良性能且低成本的微带天线RCS缩减方案；2. 对该方案进行仿真模拟和理论分析，验证其缩减效果；3. 对方案进行优化，提高其实用性；4. 对优化后的方案进行实验验证，并对实验结果进行分析和总结；5. 探索微带天线RCS缩减技术的新途径和新方向。
四、研究计划和预算（一）研究计划1. 方案设计和理论分析（2个月）；2. 数值仿真和验证（3个月）；3. 工艺优化和实验验证（4个月）；4. 实验结果分析和总结（1个月）。
基于超材料和FSS的全频微带天线RCS减缩
基于超材料和FSS的全频微带天线RCS减缩李振亚;张建华;杨文凯【摘要】为了减缩微带天线的雷达散射截面,提出了一种利用超材料和频率选择表面相结合的全频RCS减缩方法.分析了在不同参数下带通FSS的传输系数随频率的变化情况.通过带通FSS减缩带外和超材料吸波体减缩带内RCS的结合,实现整个频带的天线RCS减缩.仿真结果表明,在天线上方加盖FSS和在贴片周边加载超材料吸波体后,天线RCS在整个频带都得到了减缩,且天线的辐射特性基本保持不变.【期刊名称】《航天电子对抗》【年(卷),期】2015(031)004【总页数】4页(P46-48,64)【关键词】微带天线;频率选择表面;超材料;雷达散射截面【作者】李振亚;张建华;杨文凯【作者单位】电子工程学院,安徽合肥230037;电子工程学院,安徽合肥230037;电子工程学院,安徽合肥230037【正文语种】中文【中图分类】TN82微带天线以其轻质量、低轮廓、易于制造和易与飞行器表面共形等优点，在各种作战平台上得到了广泛应用。
但其结构特点造成它的雷达散射截面（RCS）较大，影响了整个平台的隐身性能。
因此，降低微带天线RCS成为近年来隐身技术研究的热点［1-4］。
天线的RCS减缩按频带划分，一般分为带内RCS减缩和带外RCS减缩。
对天线的带外隐身，频率选择表面（FSS）雷达天线罩［5］已经可以很好地解决。
对天线的带内隐身来说，近几年利用超材料吸波体［6-7］和高阻抗表面［8-9］减缩的研究也一直在发展。
但是很少看到有关两者结合在整个频带内减缩天线RCS的相关报道。
本文通过优化设计带通FSS，使其通带和超材料吸波频带一致，利用两者减缩天线带内和带外的互补优势，研究两者在整个频带天线RCS中的作用。
1.1 吸波体设计本文设计的吸波结构如图1所示。
顶层在方形贴片中央开圆孔、下层为金属底板，中间为介电常数εr= 4.4，损耗角正切tanδ=0.02的FR4，厚度h= 0.3mm。
应用天线二次辐射对消缩减天线RCS
应用天线二次辐射对消缩减天线RCS任志刚【摘要】天线雷达散射截面的缩减(RCS,Radar Cross Section)在军事应用中日益重要,随着隐身技术的不断发展,天线雷达散射截面的缩减成为实现低散射平台电磁隐身特性的关键.非阵列天线的单站散射除结构项散射外,还包括天线作为接收装置截获入射能量并将其发射出去而引起的二次辐射,即天线模式项散射,当前模式项散射主要通过匹配负载的方式进行缩减而未较好的对其进行利用.通过对天线模式项散射及天线结构项散射的分析及讨论,通过端接负载控制天线模式项散射与天线结构项进行的对消,提出一种利用天线二次辐射对消缩减天线RCS的方法.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2016(049)005【总页数】4页(P554-557)【关键词】雷达散射截面RCS;模式项散射;结构项散射;二次辐射对消【作者】任志刚【作者单位】中国西南电子技术研究所,四川成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN8221世纪隐身技术在军事领域的应用更加广泛，世界各国都及其重视隐身武器研究和应用[1-2]。
随着隐身技术的飞速发展，飞行器以及舰艇等武器平台自身的RCS得到了很好的缩减，与以前相比下降了1到2个数量级。
同时新技术如FSS 结构、吸波材料等隐身新技术的发展以及应用，使飞行器等隐身目标自身的 RCS 已经非常小，因而其RCS的主要贡献来源于飞行器、舰艇等武器平台上的天线系统，当前，战斗机、舰艇等武器平台上的天线系统数量已达数十乃至上百部，因此，低RCS天线技术是保障武器平台目标隐身性能的重要手段。
天线的散射较一般目标的散射更为复杂，其分析手段通常采用矩量法或有限元法[3]等数值方法。
非阵列天线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[4-7]。
天线作为电磁波发射和接收装置的特点，使其散射特性尤为复杂。
微带天线RCS减缩技术研究的开题报告
微带天线RCS减缩技术研究的开题报告一、研究背景和意义随着信息技术的快速发展，无线通信系统的应用越来越广泛。
无线通信系统中，天线作为信息传输的重要组成部分，其性能对整个系统的性能有着至关重要的影响。
其中，反射散射特性（RCS）是评价天线性能的一项关键指标。
微带天线由于其小型化、轻量化、方便制造等优点，已经成为无线通信领域中最常用的天线之一。
但是，微带天线的RCS常常较大，会对无线通信系统的性能产生负面影响，如降低通信距离、减小探测距离等。
因此，在实际应用中，需要对微带天线的RCS进行降低，以提高无线通信系统的性能。
目前，已有一些关于微带天线RCS减缩技术的研究，如各种结构、材料和涂层等。
但是，这些方法存在着一些局限性，如增加天线复杂度、降低天线的带宽等。
因此，需要进一步研究微带天线RCS减缩技术，探索新的方法和技术。
二、研究内容和方法本研究的主要内容是微带天线RCS减缩技术的研究。
具体研究内容包括：1.研究微带天线RCS特性，分析其影响因素和变化规律。
2.探索微带天线RCS减缩的基本方法，如减小天线尺寸、优化天线结构等。
3.研究新型材料和涂层在微带天线RCS减缩中的应用。
4.通过仿真和实验的方法，验证微带天线RCS减缩技术的可行性和有效性。
本研究的方法主要包括仿真和实验。
仿真可以通过计算机模拟来模拟微带天线的RCS特性，以及通过改变参数探索RCS的变化规律和影响因素。
实验可以通过制造微带天线样板，对不同的技术方案进行测试，以验证其在实际应用中的效果。
三、预期成果和意义本研究的预期成果主要包括：1.对微带天线RCS特性进行深入的研究，探索其影响因素和变化规律。
2.提出新的微带天线RCS减缩方法，包括结构、材料和涂层等方面。
3.通过仿真和实验验证不同技术方案的有效性和可行性。
本研究的意义在于：1.对微带天线RCS减缩技术进行深入研究，提出新的思路和方法。
2.提高微带天线的性能，进一步提高无线通信系统的性能。
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辐射性能和低散射效果. 具体而言, a0 涉及散射惩罚因子, 可选取较大值, 在优化时避免少数抽样点效果好 而整体优化差的结果出现; a1, a2, a3 的选取可根据性能具体要求来考虑, 原则上应在辐射性能达标的前提 下尽量增大 a1 以达到抑制散射的目的. 对于不同权值组合导致的优化差异, 文中的实例部分将予以详细
2010 年 12 月 第 37 卷 第 6 期
西安电子科技大学学报( 自然科学版) JOUR NAL OF XIDI AN UNIV ER SI TY
doi: 10. 3969/ j. issn. 1001 2400. 2010. 06. 017
D ec. 2010 V ol . 37 N o. 6
ZS I S = VS ,
其中, I 为待求的电流矩阵, V 为电压矩阵, 下标 R 和 S 分别表示对辐射和散射的计算. 在 RCS 的计算中, Z
需要随频率的变化不断更新, 方程ZSIS = VS 也需要随观察角度或入射波频率的变化反复求解, 这在优化的
讨论.
对于一般的阵列综合问题, 人们往往只对天线辐射性能感兴趣, 因此可以根据方向图乘积定理来实现阵 列辐射方向图的快速计算[ 5 6] . 这一计算往往会忽略单元互耦, 对于优化中可能出现较强互耦的阵元小间距
排布计算不够准确. 同时由于阵列散射的计算没有精确的解析表达式, 因此, 文中采用矩量法来完成阵列辐
不得超过对应变量要求的边界. 之后, 根据交叉操作生成试验个体 uti+ 1 , 其第 j 个基因可以表示为
u t+ 1 i, j
=
v t+ 1 i, j
xt i, j
, ,
rand ( j ) ∀ CR 或 j = rnbr( i ) ) , 其他 ,
( 3)
其中, CR 是范围在[ 0, 1] 间的交叉的概率; rnbr( i) 是数组{ 1, 2, , D} 中的一个随机量. 然后, 通过合适的
由于在阵列中, 天线单元的排布会对整个空间的场分布产生很大影响, 因此很多文献通过调整单元排布
收稿日期: 2010 04 22 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目( JY 10000902009) ; 国家自然科学基金资助项目( 60801042) 作者简介: 王文涛( 1984 ) , 男, 西安电子科技大学博士研究生, E mai l: w t w an g@ m ail . xidian . edu. cn .
的 RCS 实际值和 RCS 期望值, k [ 1, N ] , N 是角度或频率采 样点的总数. Prcs 是散射惩罚 因子, P rcs =
N p / N , N p 是 RCS 实际值的大于 R CS 期望值的抽样点总数, Prcs 反映了 R CS 过大时对于候选个体的惩罚.
a0, a1 是散射权值系数, a2, a3 为辐射权值系数. 通过这些权值的调整, 可以根据设计要求灵活地平衡阵列的
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西 安电子科技大学学报( 自然科学版)
第 37 卷
来实现辐射方向图的综合. 受此启发, 笔者将阵列综合思想用于天线散射的控制, 通过优化阵元的分布来实 现整个阵列的 R CS 减缩. 文中采用差分进化( DE) 算法[ 89] 作为优化工具, 并通过矩量法( M oM ) 来计算每个 候选解对应的辐射、散射场. 其中, 为实现 RCS 抑制的同时不影响天线的辐射性能, 笔者提出了兼顾辐射性 能与低散射效果的目标函数.
RCS reduction of the array antenna by optimizing element spacing
WA N G Wen t ao , L I U Yi ng , GON G Shu x i , ZH A N G Yu j i e, W A N G X i ng
( Science and T echno lo gy on Antenna and M icro wav e Lab. , Xidian U niv. , X i an 710071, China)
采用间距优化的阵列天线 RCS 减缩方法研究
王 文 涛, 刘 英, 龚 书 喜, 张 玉 洁, 王 兴
( 西安电子科技大学 天线与微波技术 重点实验室, 陕西 西安 710071)
摘要: 将阵列综合 思想用于阵列天线雷达散射截 面( RCS) 的减缩, 通 过调整 非均匀 阵列的阵 元间距 来 优化阵列天线的辐射性能与低散射特性. 以差分 进化( DE) 算 法作为优化 工具, 并通过矩 量法( M o M ) 来 实现候选解的辐射、散射计算. 优化时采用了辐射、散 射兼顾 的目标 函数, 给出了 具有低 副瓣、低散射 特 性的天线阵列. 最后, 给出的对 称振 子阵 列和 领结 阵列 的优 化 实例 表明, 采 用上 述方 法可 使阵 列获 得 5 dB以上的 RCS 减缩. 关键词: 阵列综合; 差分进化算法; 矩量法; RCS 减缩 中图分类号: O 441. 4 文献标识码: A 文章编号: 1001 2400( 2010) 06 1077 05
1 基于 DE /MoM 的低散射阵列综合
天线总的散射通常由结构模式项散射和天线模式项散射两个部分组成, 其关系可表示为[ 1]
= total
+ 1/ 2
st
1/ 2 an
exp( j
)
2
,
( 1)
其中, st 为结构模式项 R CS, 与天线的材料、尺寸、结构有关; an为天线模式项 RCS, 与天线的辐射性能及馈
对于模型多个指标间的权衡问题已在阵列方向图综合技术中得到很好的解决. 对于辐射问题, 已有很多 关于阵列方向图综合方向的文献[ 5 6] . 这些文献的工作主要是通过优化阵元排布、馈电幅相, 将辐射波束综合 出所需的形状. 根据阵列天线不同的应用, 往往会要求其辐射方向图具有如低副瓣、余割、扇形等不同轮廓. 类似地, 在天线 R CS 控制中, 往往也会希望散射方向图在指定的威胁角域或频域内避免大的峰值出现[ 7] . 因 此阵列辐射方向图综合的思想, 同样也可用来综合散射方向图, 从而实现对天线散射的控制.
第6期
王文涛等: 采用间 距优化的阵列天线 RCS 减缩方法研究
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N
# f
=
a0 Prcs +
a1
1 N
k= 1
RCS k - RCS dk + a2
G - Gd + a3
S LL - S LL d
,
( 5)
其中, Gd 与S L L d 分别为天线增益和最大副瓣电平的期望值, RCS k 与 R CS dk 分别表示第 k 个采样角或频率点处
Abstract: T he method o f arra y synthesis is used in r adar cross sect ion ( RCS) reductio n o f an ar ray antenna, and the radiation per for mance and low scatter ing pro per ty o f an ar ray ant enna are optimized by adjusting the element spacing o f a non unifo rm ar ray. T he differential ev olut ion ( DE) alg or ithm is ado pted as the optimizatio n too l, w hile the met ho d of moments ( M oM ) is a pplied to calculate the radiatio n and scatter ing par ameters of each candidate solution. T he o bject ive functio n for co mbining antenna radiatio n w ith scattering is used to synthesize an ar ray w ith a lo w side lobe and low scattering pr operty . F inally, t he o pt imizatio n examples of the dipole and bo wt ie show t hat the arra y RCS can be reduced mo re than 5dB by this method. Key Words: arr ay synthesis; differentia l evo lutio n algo rit hm; method o f moments; RCS reduction
射和散射的计算. 矩量法是一种经典的低频算法, 因其高精度而广泛应用于电磁计算. 这里采用电场积分方
程( EF IE) 及 RWG 基函数[ 10] 的矩量法完成计算, 其计算流程如图 1 右侧所示. 在矩量法计算中, 最为耗时的
部分是阻抗矩阵 Z 的填充和下式的求解:
ZR I R = VR , ( 6)
雷达散射截面( RCS) 是定量表征目标散射强弱的物理量, 通常等于各向同性散射时, 目标总的散射功率 与单位面积入射波功率之比[ 1] . 随着探测技术和隐身技术的发展, 目标 RCS 的减缩无疑具有重大的军事意 义. 然而天线作为一种特殊的散射体, 在减缩其 RCS 的同时还必须满足天线最基本的辐射需求, 这使得对于 天线的散射控制变得非常困难. 为此, 一些新结构及 新材料被用于 天线设计以抑制 天线的散射[ 2 4] . 这些 RCS 控制方法所处理的核心问题就是如何在天线必要的辐射性能和低散射特性之间做出合理的权衡, 使得 天线在保持工作性能的同时实现 RCS 减缩.
( 4)
1 2 目标函数