战术导弹技术 2016年第2期 Tactical Missile Technology 总体技术 【文章编号】10091300(2016)02002306 D0L10.16358/j.iss0.10094300.2016.02.05 天线隐身技术国内外研究进展 王一哲，郑理，张吒 (北京机电工程研究所，北京100074) [摘要】揭示了天线隐身技术对于目标隐身技术下一步发展的重要意义，介绍了天线隐身技术的发展历程和 基本设计思路，详细的分析了天线带内隐身的主要技术手段的基本原理和优缺点，主要包括表面电流控制技术 仿生天线技术和超材科技术等，最后展望了天线隐身技术的发展趋势，指出可重构技术、天线优化技术和以智能 蒙皮为代表的多种隐身技术的集成是天线隐身技术进一步发展的方向。 [关键词]天线隐身：RCS减缩：发展趋势 [中图分类号]T820 [文献标识码】A General Discussion of Research on Antenna Stealth Wang Yizhe.Zheng Li.Zhang Zha (Beijing Electro-mechanical Engneering Beijing 100074.China) Abstract:The importance of antenna stealth for the target property is introduced.The history of the an- tenna stealth and the basic design principles are reviewed over the last decades.The main technologies for reducing the antenna RCS such as surface current control technology.fractal antenna technology and metamaterial technology and so on are discussed in detail.Finally.possible progress on antenna stealth technology in the future is discussed,pointing out that The developm nt trend of an alth technalo gy may be the optimization and the th variety of stealth technologies. Keywords:antenna stealth;RCS reduction:progress 1引言 见平台而言，天线的散射是总RCS的主要贡献者之 隐身技术在现代战争中且右重要的地位，在当 ,因此迫切需要采取措施减小天线RCS。飞行器 前复杂电磁环境下的战争中，飞行器等武器平台的 的雷达天线系统通常位于飞行器前端（包含天线 隐身性能直接决定了其战场生存概率及突防能力。 置)，会在飞行器总维方向产生很强的RCS贡献 目前飞行器的外形隐身技术已经发展的比较成熟， 以战术导弹上典型的末端制导卡塞格伦天线为例 飞行器等载体目标的雷达散射截面(RCS)已能得到 当被X波段的探测电磁波照射的时候，其在180 较好的控制。但是，对于外形隐身的飞行器等低可 附近的鼻锥区域的RCS高达I0dBsm左右。此外 对于脉冲多普勒雷达常用的平板裂缝天线，其在法 线方向的RCS可高达30dBsm以上0，因此天线系 1994-2016 China Academic Jour al Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net
战术导弹技术 2016 年第 2 期 Tactical Missile Technology 总体技术 ［作者简介］ 王一哲，工程师． ［收稿日期］ 2015-11-05 ［文章编号］ 1009-1300( 2016) 02-0023-06 DOI: 10． 16358 /j． issn． 1009-1300． 2016． 02． 05 天线隐身技术国内外研究进展 王一哲， 郑 理， 张 吒 ( 北京机电工程研究所，北京 100074) ［摘 要］ 揭示了天线隐身技术对于目标隐身技术下一步发展的重要意义，介绍了天线隐身技术的发展历程和 基本设计思路，详细的分析了天线带内隐身的主要技术手段的基本原理和优缺点，主要包括表面电流控制技术、 仿生天线技术和超材料技术等。最后展望了天线隐身技术的发展趋势，指出可重构技术、天线优化技术和以智能 蒙皮为代表的多种隐身技术的集成是天线隐身技术进一步发展的方向。 ［关键词］ 天线隐身; ＲCS 减缩; 发展趋势 ［中图分类号］ TN820 ［文献标识码］ A General Discussion of Ｒesearch on Antenna Stealth Wang Yizhe， Zheng Li， Zhang Zha ( Beijing Electro-mechanical Engineering Institute，Beijing 100074，China) Abstract: The importance of antenna stealth for the target property is introduced． The history of the antenna stealth and the basic design principles are reviewed over the last decades． The main technologies for reducing the antenna ＲCS such as surface current control technology，fractal antenna technology and metamaterial technology and so on are discussed in detail． Finally，possible progress on antenna stealth technology in the future is discussed，pointing out that The development trend of antenna stealth technology may be the reconfigurable antenna technology，optimization technology and the comprehensive of the variety of stealth technologies． Keywords: antenna stealth; ＲCS reduction; progress 1 引 言 隐身技术在现代战争中具有重要的地位，在当 前复杂电磁环境下的战争中，飞行器等武器平台的 隐身性能直接决定了其战场生存概率及突防能力。 目前飞行器的外形隐身技术已经发展的比较成熟， 飞行器等载体目标的雷达散射截面( ＲCS) 已能得到 较好的控制。但是，对于外形隐身的飞行器等低可 见平台而言，天线的散射是总 ＲCS 的主要贡献者之 一，因此迫切需要采取措施减小天线 ＲCS。飞行器 的雷达天线系统通常位于飞行器前端( 包含天线 罩) ，会在飞行器鼻锥方向产生很强的 ＲCS 贡献。 以战术导弹上典型的末端制导卡塞格伦天线为例， 当被 X 波段的探测电磁波照射的时候，其在 180℃ 附近的鼻锥区域的 ＲCS 高达 10 dBsm 左右。此外， 对于脉冲多普勒雷达常用的平板裂缝天线，其在法 线方向的 ＲCS 可高达 30 dBsm 以上［1］。因此天线系
战术导弹技术 ·24 Tactical Missile Technolog 2016年第2期 统的RCS控制是目标隐身技术下一步发展的一个 设计当中是一对矛盾、在实际脑用中一般根据时 重要技术买题。但是天线系统作为雷达系统的号前 城、域和空域三个方面采用措施，降低天线的撒 端，必须保证自身雷达波的正常接收和发射，若采 射。 用吸波材料或者改变其形状的隐身方式，将会严耳 (1)天线系统的时域隐身措施 影响天线的辐射性能，这就增加了天线系统隐身的 对于飞行器上的雷达天线系统，以末制导天线 难度。目前如何在保证天线辐射性能不变的情况 为例，通常不需要在整个飞行过程中全程工作，因 下，降低整个天线的CS还没有完善的理论和设计 此可以在天线不工作的时候将天线遮挡起来，在工 方法。在实际的工程应用当中只能根据天线的工作 作的时候恢复正常的状态，天线的这种时域隐身措 要求在辐射性能和散射性能 间进行折中。因此酷 施的突出优点是简单可 ,隐身效果显者 身天线的设计研究具有很重要的实际应用意义， 设计中不需要单独考虑散射性能。其缺点是天线工 作的时候就丧失了隐身的能力。 2 天线隐身发展历程和主要研究思路 (2)天线系统空域隐身措端 天线与一般的散射体不同，天线的散射主要可 以分为天线的结构项散射和模式项散射，天线的结 ·此时天线 构项散射由天线的几何结构决定，与一般的散射体 在鼻锥方向的结构模式项散射场很少，天线模式项 相同，而天线的模式项散射与天线的辐射性能有 散射场与天线辐射性能有关，其散射可通过匹配技 关。因此有必要对天线的散射问题展开专门的分机 术米减小。对于飞行器上常见的用波导裂缝阵或微 研究。1963年，美国俄亥俄州立大学的Green R B 带天线阵，只要将天线口径而的法向移出点风 发表了基于共轭匹配条件的天线散射的一般理论， 域，便可以实现重点威胁角域隐身。其优点是天线 该理论一般被看作天线散射理论研究最早的开始 设计简单、隐身效果显著：缺点是鼻锥区域外不能 之后Collin R E和Hansen R C分别于1969年和 隐身。 )年分析了短路条件和匹配负载条件的天线配 (3)天线系统的频域隐身措抽 射理论。为天线散射的理论研究奠定了基础。1992 天线的场域隐身可以分为带内和带外两个部 年Jackson D R和Volakis I L等人分别采用加载吸 当敌我双方雷达处于不同工作须段时， 采用频 波材料和集总元件的方法在1~10GHz带宽之内使 率选择表面(SS)基本就可以满足天线隐身的需 得贴片天线的带降低了5 15dB。1992年的 求，通过设计使得己方的电磁波在SS表面的通带 EEE-APS 会议开 RCS专题。此后 之内，不影响天线的正常工作，而敌方的申磁波处 军事需求的驱动，低散射武器平台的出现 天线自 于阻带。其优点是不需要增加或改动结构，只需用 散射机理和CS控制的研究得到了广泛的关注 FSS代替原有的天线罩或反射面，因此特别适合于 1990年，申子科技大学阮频挣教授最早开始了天线 改善现有的或正在研制的雷达天线隐身性能。其缺 散射的相关研究：从2000年起，西安电子科技 点是对同颊率同极化的威胁雷达波无能为力。在天 大学开始此领域的研究，该单位从散射矩阵出发 线工作频带内对相同极化的威胁雷达波要实现隐身 推导了天线散射的 本表达式 在此基础上进一 特性，这是一件极其困难的任务。此时虽然天线模 提出了分析天线散射的基本模型，利用该模型可分 式项RCS会因为带内的良好匹配而降低，但结构模 离天线散射的天线结构项散射场和天线模式项散射 式项RCS则会因为天线的谐振 而加大 ·由于结 场两分量，解决了此二分量之间相位差很难确定的 式项与天线结构形式和材料有关，因此对不同的天 问题。天线的RCS控制技术可以分为天线散射 线应采取不同的隐身措施西。 机理的分析与计算，单元与阵列的RC 面。天线隐身技术既要求天线保证自身的辐射性 3 天线隐身技术研究现状 能，又要求降低对敌方电磁波的散射，这在天线的 当前天线的带内同极化隐身设计是天线RCS 1994-2016 China Academie Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
战术导弹技术 Tactical Missile Technology 2016 年第 2 期 统的 ＲCS 控制是目标隐身技术下一步发展的一个 重要技术课题。但是天线系统作为雷达系统的最前 端，必须保证自身雷达波的正常接收和发射，若采 用吸波材料或者改变其形状的隐身方式，将会严重 影响天线的辐射性能，这就增加了天线系统隐身的 难度。目前如何在保证天线辐射性能不变的情况 下，降低整个天线的 ＲCS 还没有完善的理论和设计 方法。在实际的工程应用当中只能根据天线的工作 要求在辐射性能和散射性能之间进行折中。因此隐 身天线的设计研究具有很重要的实际应用意义。 2 天线隐身发展历程和主要研究思路 天线与一般的散射体不同，天线的散射主要可 以分为天线的结构项散射和模式项散射，天线的结 构项散射由天线的几何结构决定，与一般的散射体 相同，而天线的模式项散射与天线的辐射性能有 关。因此有必要对天线的散射问题展开专门的分析 研究。1963 年，美国俄亥俄州立大学的 Green Ｒ B 发表了基于共轭匹配条件的天线散射的一般理论， 该理论一般被看作天线散射理论研究最早的开始。 之后 Collin Ｒ E 和 Hansen Ｒ C 分别于 1969 年和 1989 年分析了短路条件和匹配负载条件的天线散 射理论。为天线散射的理论研究奠定了基础。1992 年 Jackson D Ｒ 和 Volakis J L 等人分别采用加载吸 波材料和集总元件的方法在 1 ～ 10 GHz 带宽之内使 得贴片天线的带宽降低了 5 ～ 15 dB。1992 年 的 IEEE-APS 会议开辟了天线 ＲCS 专题。此后，由于 军事需求的驱动，低散射武器平台的出现，天线的 散射机理和 ＲCS 控制的研究得到了广泛的关注［2］。 1990 年，电子科技大学阮颖铮教授最早开始了天线 散射的相关研究［3］; 从 2000 年起，西安电子科技 大学开始此领域的研究，该单位从散射矩阵出发， 推导了天线散射的基本表达式，在此基础上进一步 提出了分析天线散射的基本模型，利用该模型可分 离天线散射的天线结构项散射场和天线模式项散射 场两分量，解决了此二分量之间相位差很难确定的 问题［4］。天线的 ＲCS 控制技术可以分为天线散射 机理的分析与计算，单元与阵列的 ＲCS 控制两个方 面。天线隐身技术既要求天线保证自身的辐射性 能，又要求降低对敌方电磁波的散射，这在天线的 设计当中是一对矛盾，在实际应用中一般根据时 域、频域和空域三个方面采用措施，降低天线的散 射。 ( 1) 天线系统的时域隐身措施 对于飞行器上的雷达天线系统，以末制导天线 为例，通常不需要在整个飞行过程中全程工作，因 此可以在天线不工作的时候将天线遮挡起来，在工 作的时候恢复正常的状态，天线的这种时域隐身措 施的突出优点是简单可行，隐身效果显著，在天线 设计中不需要单独考虑散射性能。其缺点是天线工 作的时候就丧失了隐身的能力。 ( 2) 天线系统空域隐身措施 一般可以利用天线口径面偏置的方法将天线口 径面的法向偏移到飞行器鼻锥区域以外。此时天线 在鼻锥方向的结构模式项散射场很少，天线模式项 散射场与天线辐射性能有关，其散射可通过匹配技 术来减小。对于飞行器上常见的用波导裂缝阵或微 带天线阵，只要将天线口径面的法向移出鼻锥区 域，便可以实现重点威胁角域隐身。其优点是天线 设计简单、隐身效果显著; 缺点是鼻锥区域外不能 隐身。 ( 3) 天线系统的频域隐身措施 天线的频域隐身可以分为带内和带外两个部 分，当敌我双方雷达处于不同工作频段时，采用频 率选择表面( FSS) 基本就可以满足天线隐身的需 求，通过设计使得己方的电磁波在 FSS 表面的通带 之内，不影响天线的正常工作，而敌方的电磁波处 于阻带。其优点是不需要增加或改动结构，只需用 FSS 代替原有的天线罩或反射面，因此特别适合于 改善现有的或正在研制的雷达天线隐身性能。其缺 点是对同频率同极化的威胁雷达波无能为力。在天 线工作频带内对相同极化的威胁雷达波要实现隐身 特性，这是一件极其困难的任务。此时虽然天线模 式项 ＲCS 会因为带内的良好匹配而降低，但结构模 式项 ＲCS 则会因为天线的谐振而加大。由于结构模 式项与天线结构形式和材料有关，因此对不同的天 线应采取不同的隐身措施［1］。 3 天线隐身技术研究现状 当前天线的带内同极化隐身设计是天线 ＲCS ·24·
战术导弹技术 2016年第2期 Tactical Missile Technology ·25. 控制的牛要研究内容，主要技术手段如下： 然端化而形成的触角结构一定有利于昆虫本身的生 3.1表面电流控制技术 存，这点在一定程度上与隐身的概念是相似的。根 这是日前经常用的微带天线CS减缩方法之 据上面的里想。2009年研究人员设计了一种昆中触 般通过天线开桔或者增加寄生结构来实现 f角天线(The inseet tentacle antenna、TA),如图2所 该方法的主要原理可以通过模式分离的方法来解 释，将天线辐射和散射状态下的模式电流调整到不 同的电流模式上，通过改变外形，抑制散射电流模 式从而降低天线的RCS。但是这种方法经常会对天 线的辐射性能 生影响 并且有 一定的带宽限制 由于对天线RCS的控制实际上是对各种相互矛 的要求之间的一个折夷，在设计中如何同时兼顺 射与散射两个方面是天线RCS控制的关键问题 O14年.+耳其科埃利大学的Cengizhan m D mn等人，采用控制表面电流分布的方法对印刷单 图2仿生天线示意图 极子八边形天线的RCS进行了减缩，如图1所示 通过分析天线表面的电流分布，找到表面电流分布 仿真和测试结果表明该昆虫触角天线可以在天 最小的区域，去掉这些电流分布最小的区域，减小 线的整个工作带宽之内很好的降低天线的RCS。 了天线的散射面积，同时影响了散射状态的电流分 3.3阳抗加载、阻抗匹配技术 布，在天线的整个工作带宽之内有效的减缩了天线 通过阻抗加载等技术使得天线CS的峰伯偏 的RCS 离主要的频带实现一定频域之内的RCS减缩。这种 方法一般应用为微带天 ,通过阻抗加载等方法 改变微带天线的阻抗特性，从而降低天线的RCS 其中开槽加载的方法不但可以改变阻抗特性，还可 以使得天线表面成应申流重新分布。电阻性加载句 括天线馈电点加载、微带贴片边缘集总加载和利用 垂直边缘的条带进行分布式加载。电阻性加载法可 以使天线的RCS降低5~20dB,但其频带较窄。 另一种减缩技术是利用容变二极管进行电抗性集总 加载，这种方法也可以获得10dB以上的RCS减缩 图1天线结构示意图 效果。用损耗介质和铁氧体作为天线的基片和覆盖 层也是一种有效的天线RCS减缩技术，其效果一般 32分形结构、仿生结构技术 为10~35dB.这种方法虽然可以降低天线的RCS, 通过分形结构、仿生结构等改变天线的外形结 但是会使得天线的辐射效率减低和。 构，这种方法 般应用于微带贴片天线 该方法 3.4 结构项与散射项对消技术 般使得电流沿着弯曲的路径产生谐振，减小了谐损 天线不同于一般结构的散射体，天线的散射场 的面积，从而可以减少RCS,同时分形结构具有很 可以看作由两个部分构成：天线的结构项散射和天 高的自相似性和对称性。通过相互抵消的方法使得 线的模式项散射。天线的结构项散射指的是天线接 自身的RCS得到降低 匹配负载时的散射场，其散射机理与普通散射体相 昆虫的须状触角有利于其感知外界信息，这点 同：天线的模式项散射指的是由负载与馈线不 在一定程度上与天线的功能是相似的.而且经过自 而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是 1994-2016 China Academi al Electronic Publishing House rights http://www.cnki.ne
战术导弹技术 2016 年第 2 期 Tactical Missile Technology 控制的主要研究内容，主要技术手段如下: 3． 1 表面电流控制技术 这是目前经常用的微带天线 ＲCS 减缩方法之 一，一般通过天线开槽或者增加寄生结构来实现。 该方法的主要原理可以通过模式分离的方法来解 释，将天线辐射和散射状态下的模式电流调整到不 同的电流模式上，通过改变外形，抑制散射电流模 式从而降低天线的 ＲCS。但是这种方法经常会对天 线的辐射性能产生影响，并且有一定的带宽限制。 由于对天线 ＲCS 的控制实际上是对各种相互矛盾 的要求之间的一个折衷，在设计中如何同时兼顾辐 射与散射两个方面是天线 ＲCS 控制的关键问题。 2014 年，土耳其科贾埃利大学的 Cengizhan M Dikmen 等人，采用控制表面电流分布的方法对印刷单 极子八边形天线的 ＲCS 进行了减缩，如图 1 所示， 通过分析天线表面的电流分布，找到表面电流分布 最小的区域，去掉这些电流分布最小的区域，减小 了天线的散射面积，同时影响了散射状态的电流分 布，在天线的整个工作带宽之内有效的减缩了天线 的 ＲCS ［5］。 图 1 天线结构示意图 3． 2 分形结构、仿生结构技术 通过分形结构、仿生结构等改变天线的外形结 构，这种方法一般应用于微带贴片天线。该方法一 般使得电流沿着弯曲的路径产生谐振，减小了谐振 的面积，从而可以减少 ＲCS，同时分形结构具有很 高的自相似性和对称性，通过相互抵消的方法使得 自身的 ＲCS 得到降低。 昆虫的须状触角有利于其感知外界信息，这点 在一定程度上与天线的功能是相似的，而且经过自 然演化而形成的触角结构一定有利于昆虫本身的生 存，这点在一定程度上与隐身的概念是相似的。根 据上面的思想，2009 年研究人员设计了一种昆虫触 角天线( The insect tentacle antenna、ITA) ，如图2 所 示［6］。 图 2 仿生天线示意图 仿真和测试结果表明该昆虫触角天线可以在天 线的整个工作带宽之内很好的降低天线的 ＲCS。 3． 3 阻抗加载、阻抗匹配技术 通过阻抗加载等技术使得天线 ＲCS 的峰值偏 离主要的频带实现一定频域之内的 ＲCS 减缩。这种 方法一般应用为微带天线，通过阻抗加载等方法， 改变微带天线的阻抗特性，从而降低天线的 ＲCS， 其中开槽加载的方法不但可以改变阻抗特性，还可 以使得天线表面感应电流重新分布。电阻性加载包 括天线馈电点加载、微带贴片边缘集总加载和利用 垂直边缘的条带进行分布式加载。电阻性加载法可 以使天线的 ＲCS 降低 5 ～ 20 dB ，但其频带较窄。 另一种减缩技术是利用容变二极管进行电抗性集总 加载，这种方法也可以获得 10 dB 以上的 ＲCS 减缩 效果。用损耗介质和铁氧体作为天线的基片和覆盖 层也是一种有效的天线 ＲCS 减缩技术，其效果一般 为 10 ～ 35 dB。这种方法虽然可以降低天线的 ＲCS， 但是会使得天线的辐射效率减低［7-10］。 3． 4 结构项与散射项对消技术 天线不同于一般结构的散射体，天线的散射场 可以看作由两个部分构成: 天线的结构项散射和天 线的模式项散射。天线的结构项散射指的是天线接 匹配负载时的散射场，其散射机理与普通散射体相 同; 天线的模式项散射指的是由负载与馈线不匹配 而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是 ·25·
战术导弹技术 ·26 Tactical Missile Technolog 2016年第2期 天线作为加载散射体而特有的散射场。根据天线散 组成宽带低RCS反射屏。超材料等人工周期结构的 射的议个持点以通讨在天线的输入端口增加移相器 出现为天线的RCS减缩提供了新的思路。目前宽带 等设备，利用模式项和结构项对消，降低天线的 超材料和可调超材料是研究的热点 RCS. 2014年1月，意大利学者Simone Genovesi等 利用天线的模式项散射对消天线的结构项散射 人研究了采用超材料的方法降低阵列天线RCS的 的典型结构如图3所示。该系统首先通过移相器对 方法，Simone Genovesi等人通过图4所示的微带缝 天线的结构项散射和模式项散射讲行测量，之后通 隙阵列的例子说明这种方法的有效性和设计思路， 过调整天线模式项的相位， 使得天线的结构项散 整个微带缝隙阵列放置在R4介质板上，下方为整 和模式项散射对消，从而降低整个天线阵列的散 个阵列的馈电结构，整个阵列的工作带宽为 射。 4~8G。在整个带宽之内，该缝隙阵列天线的辐 射和反射情况表现与一块金属板类似，具有很强的 入射沙 电磁散射。 天线 环形器 移相 总散射场 图3采用移相器和环流器降低天线RCS示意图 P.L 3.5超材料技 d0等人2008年在EEE上发表文 章探究T超材料结构在天线隐身方面的应用调 随着可重构技术的出现，国外部分学者也开始探素 这类技术在天线隐身方面的应用。目前人造周期结 图4微带缝晾阵列示意图 构(letamaterial.EBG、SS+PSS)统称为人工超材 料结构。超材料技术一般用来降低波导缝隙天线 喇叭 天线、反射 线等的RCS 这种万法的主 原理是利用电磁超材料等结构来改变空间电磁波的 传播特性。 其中频率洗搔表面在(SS)主要利用频率选择 表面的带桶带阻特性来低天线工作带宽以外的 RCS,这种方法一般都是针对敌我双方雷达处 同的工作频段或不同的极化方式下，这些结构往往 能够取得较好的RCS减缩效果。其他周期结构 (EBG,AMP)等主要利用高阻抗表面特性抑制表面 波的传播或者利用同相反射相位带隙特性降低 图5微带阵列和表面超材料结构 Cs。高阻抗表面可以结合贴片申阳笔元器件构 吸波结构，涂覆在天线口径表面吸收电磁波 为了在整个工作带宽之内降低天线的散射 整个天线的RCS。人工磁导体(AMC)可以与金属结 Simone Genovesi等人决定在整个阵列的上方覆盖 构组成棋盘结构，正交布阵，利用相位相消的原理 一层周期结构，采用等效传输线模型，分析设计 1994-2016China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enkine
战术导弹技术 Tactical Missile Technology 2016 年第 2 期 天线作为加载散射体而特有的散射场。根据天线散 射的这个特点以通过在天线的输入端口增加移相器 等设备，利用模式项和结构项对消，降低天线的 ＲCS。 利用天线的模式项散射对消天线的结构项散射 的典型结构如图 3 所示。该系统首先通过移相器对 天线的结构项散射和模式项散射进行测量，之后通 过调整天线模式项的相位，使得天线的结构项散射 和模式项散射对消，从而降低整个天线阵列的散 射［11］。 图 3 采用移相器和环流器降低天线 ＲCS 示意图 3． 5 超材料技术 Luukkonemd O 等人 2008 年在 IEEE 上发表文 章探究了超材料结构在天线隐身方面的应用，同时 随着可重构技术的出现，国外部分学者也开始探索 这类技术在天线隐身方面的应用。目前人造周期结 构( Metamaterial． EBG、FSS + PSS) 统称为人工超材 料结构。超材料技术一般用来降低波导缝隙天线、 喇叭天线、反射面天线等的 ＲCS，这种方法的主要 原理是利用电磁超材料等结构来改变空间电磁波的 传播特性。 其中频率选择表面在( FSS) 主要利用频率选择 表面的带通带阻特性来降低天线工作带宽以外的 ＲCS，这种方法一般都是针对敌我双方雷达处于不 同的工作频段或不同的极化方式下，这些结构往往 能够 取 得 较 好 的 ＲCS 减 缩 效 果。其 他 周 期 结 构 ( EBG，AMP) 等主要利用高阻抗表面特性抑制表面 波的传播或者利用同相反射相位带隙特性降低 ＲCS。高阻抗表面可以结合贴片电阻等元器件构成 吸波结构，涂覆在天线口径表面吸收电磁波，降低 整个天线的 ＲCS。人工磁导体( AMC) 可以与金属结 构组成棋盘结构，正交布阵，利用相位相消的原理 组成宽带低 ＲCS 反射屏。超材料等人工周期结构的 出现为天线的 ＲCS 减缩提供了新的思路。目前宽带 超材料和可调超材料是研究的热点。 2014 年 1 月，意大利学者 Simone Genovesi 等 人研究了采用超材料的方法降低阵列天线 ＲCS 的 方法，Simone Genovesi 等人通过图 4 所示的微带缝 隙阵列的例子说明这种方法的有效性和设计思路。 整个微带缝隙阵列放置在 FＲ4 介质板上，下方为整 个阵列的馈电结构，整个阵列的工作 带宽为 4 ～ 8 GHz。在整个带宽之内，该缝隙阵列天线的辐 射和反射情况表现与一块金属板类似，具有很强的 电磁散射。 图 4 微带缝隙阵列示意图 图 5 微带阵列和表面超材料结构 为了在整个工作带宽之内降低天线的散射， Simone Genovesi 等人决定在整个阵列的上方覆盖 一层周期结构，采用等效传输线模型，分析设计 ·26·
战术导弹技术 2016年第2期 Tactical Missile Technology ·27· 了方形超材料结构来降低整个阵列的CS,最终 整个阵列可以在工作带宽之内隆低整个天线的 的超材料结构为20×20的有限大阵列.整个结构 CS,并且可以通过旋来调整超材料表面和天线阵 覆盖在缝隙阵列天线之上一定的距离，如图5 列的相对位置，实现阵列的极化可重构)。（左旋 所示 圆极化 右旋圆极化和线极化 经过测试发现，采用这种思路设计的超材料结 目前人造周期结构分析方法主要依赖于平面无 构可以在整个阵列的工作带宽之内明显的降低天线 限大周期结构的分析方法，如果能够实现在曲面上 的电磁散射（单站和双站）。 分析设计周期结构，不但能够与飞行器等结构共 2014年12日Krishname0hyK等人利田超 形，而且会使阵列各单元的散射场因存在相位差异 料结构结合可重构技术实现了天线RC: 减缩 而相互抵消，从而抑制镜面强反射 ,降低天线的 Krishnamoorthy K等人采用的超材料结构由带有十 RCS- 字开槽线的电容性贴片和介质基片构成，如图6所 4发展趋势 天线是 一个电磁场辐射体，若采用吸波材料或 者改变其形状，将会影响天线辐射性能，所以采用 这种方法控制天线的RCS必须在辐射和散射之间 作出一个权衡，代化方法是一个不错的洗择。目 前，抑制模式项散射、率选择表面S9)天线翠】 吸波材料等单项技术在降低RCS 上已经有 究成果可以借鉴。近年来随着等高子体、超材料 可重构技术在电磁领域的广泛应用，这些技术将会 成为天线隐身技术的重点关注对象。结合近年来的 图6超材料单元示意图 技术发展趋势，天线隐身的发展趋势主要集中在以 整个超材料单元的缝隙电容和缝隙电感根邦 下几个方面 Babinet原理等效为金属偶极子计算得到，在平面 (1)为适应未来信息化战争作战需求，飞行器 波垂直入射的情况下，整个超材料表面的表面阻抗 等平台上的天线功能及类型多样，数量不断增加， 而且天线工作角域不断扩大，对主要威胁频段、不 可以通过计算得到，最终得到带有超材料结构的低 RCS阵列如图7所示。 同威胁角域的散射贡献不断增强。因此天线系统要 能够在全时域/全空域/全频域实现低RC 是不可 能的。采用可重构技术和宽带天线技术可以在很大 的程度上减少平台上所需的天线数量，从而降低天 : 线系统对整个飞行署平台的散射贡献。 (2)由于村天线RC的控制实际上是对各种相 互矛盾的要求之间的 一个折衷，因此。 将优化算 和优化理论引入到天线的散射控制与低RCS天乡 设计中，来平衡天线的高辐射性能与低散射效果这 一组矛盾将会是一个不错的选择。同时对于武器平 台而言，对整个平台的天线进行布局优化，也可以 降低整个平台的目标散射特性 (d (3)综合考虑天线的布局，将天线和环境看为 图7带有超材料结枸的低RCS可重构阵列 一个整体，利用共形天线技术结合优化设计方法， 1994-2016China Academic Jou al Electronic Publishing House All rightsr http://www.cnki.ne
战术导弹技术 2016 年第 2 期 Tactical Missile Technology 了方形超材料结构来降低整个阵列的 ＲCS，最终 的超材料结构为 20 × 20 的有限大阵列，整个结构 覆盖在缝隙阵列天线之上一定的距离［12］，如图 5 所示。 经过测试发现，采用这种思路设计的超材料结 构可以在整个阵列的工作带宽之内明显的降低天线 的电磁散射( 单站和双站) 。 2014 年 12 月 Krishnamoorthy K 等人利用超材 料结构结合可重构技术实现了天线 ＲCS 减 缩。 Krishnamoorthy K 等人采用的超材料结构由带有十 字开槽线的电容性贴片和介质基片构成，如图 6 所 示。 图 6 超材料单元示意图 整个超材料单元的缝隙电容和缝隙电感根据 Babinet 原理等效为金属偶极子计算得到，在平面 波垂直入射的情况下，整个超材料表面的表面阻抗 可以通过计算得到，最终得到带有超材料结构的低 ＲCS 阵列如图 7 所示。 图 7 带有超材料结构的低 ＲCS 可重构阵列 整个阵列可以在工作带宽之内降低整个天线的 ＲCS，并且可以通过旋来调整超材料表面和天线阵 列的相对位置，实现阵列的极化可重构［13］。( 左旋 圆极化、右旋圆极化和线极化) 目前人造周期结构分析方法主要依赖于平面无 限大周期结构的分析方法，如果能够实现在曲面上 分析设计周期结构，不但能够与飞行器等结构共 形，而且会使阵列各单元的散射场因存在相位差异 而相互抵消，从而抑制镜面强反射、降低天线的 ＲCS。 4 发展趋势 天线是一个电磁场辐射体，若采用吸波材料或 者改变其形状，将会影响天线辐射性能，所以采用 这种方法控制天线的 ＲCS 必须在辐射和散射之间 作出一个权衡，优化方法是一个不错的选择。目 前，抑制模式项散射、频率选择表面( FSS) 天线罩、 吸波材料等单项技术在降低 ＲCS 上已经有一些研 究成果可以借鉴。近年来随着等离子体、超材料、 可重构技术在电磁领域的广泛应用，这些技术将会 成为天线隐身技术的重点关注对象。结合近年来的 技术发展趋势，天线隐身的发展趋势主要集中在以 下几个方面: ( 1) 为适应未来信息化战争作战需求，飞行器 等平台上的天线功能及类型多样，数量不断增加， 而且天线工作角域不断扩大，对主要威胁频段、不 同威胁角域的散射贡献不断增强。因此天线系统要 能够在全时域/全空域/全频域实现低 ＲCS 是不可 能的。采用可重构技术和宽带天线技术可以在很大 的程度上减少平台上所需的天线数量，从而降低天 线系统对整个飞行器平台的散射贡献。 ( 2) 由于对天线 ＲCS 的控制实际上是对各种相 互矛盾的要求之间的一个折衷，因此，将优化算法 和优化理论引入到天线的散射控制与低 ＲCS 天线 设计中，来平衡天线的高辐射性能与低散射效果这 一组矛盾将会是一个不错的选择。同时对于武器平 台而言，对整个平台的天线进行布局优化，也可以 降低整个平台的目标散射特性。 ( 3) 综合考虑天线的布局，将天线和环境看为 一个整体，利用共形天线技术结合优化设计方法， ·27·