天线雷达散射截面分析与控制术研究

论文摘要

由于当今隐身技术的飞速发展,飞行器以及舰艇等武器的雷达散射截面与以前相比下降了1到2个数量级。同时由于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,使隐身目标自身的RCS已经非常小。因此影响目标隐身性能的主要因素是载体目标上的天线。所以,天线RCS的分析研究与减缩技术对于目标隐身设计将变的非常重要。本文从天线RCS的分析与减缩两个方面为研究目标,分别对天线散射的特性与减缩方法进行了研究。本文工作的主要创新点可概括如下:1.受到阵列天线辐射方向图乘积定理的启发,提出阵列天线散射场也可以分解为阵列散射因子与单元散射场的乘积。同时,根据阵列天线散射的基本理论,导出了阵列散射因子的表达式。通过阵列散射因子,分析了阵列天线散射场的一些重要特性,得到了一些基本结论:首先,阵列天线散射方向图主要与阵列结构形式有关,而与单元散射方向图无关;其次,阵列天线散射峰值所在的角度位置以及峰值数目都与阵列单元之间的距离相关,同时散射峰值会随着单元间距的变化按一定规律而变化;第三,对半波振子、螺旋天线、微带天线阵列散射的分析可以看出,阵列散射方向图特性主要是由阵列结构决定,与阵列天线单元形式无关。2.提出了一种综合阵列天线散射方向图的新方法。根据导出的阵列散射因子表达式,通过改变阵列单元之间的空间分布而对阵列散射因子进行优化,从而使阵列天线散射峰值得到明显的抑制。为了验证本方法,分别对平面半波振子阵列、线性领结型天线阵列、波导缝隙阵列的散射方向图进行综合,仿真与计算结果证实了该方法的正确性。同时,在阵列天线散射方向图的综合中我们发现:无论单元接多大负载,通过优化阵列散射因子得到的单元空间位置都能有效的抑制其散射方向图。对于波导缝隙阵列,入射波极化激励与不激励缝隙电压时,优化得到的缝隙位置对其散射方向图的影响非常大。即当入射波极化激励起缝隙电压时,通过本方法得到的缝隙位置可以抑制缝隙阵列的散射峰值;而当入射波不能激励起缝隙电压时,则无论缝隙位置怎么变,其散射方向图变化都不大。3.利用频率选择表面的等效电路分析模型,提出了一种新型的频率选择表面。该新型FSS结构是通过给传统金属方环FSS结构引入并联电感而形成。通过引入并联电感,新型FSS结构的阻带带宽得到了明显的减小,从而提高了FSS结构的频率选择特性。同时,对该FSS结构的反射系数以及反射相位的频带特性进行分析后,得到结论:即在阻带内,FSS结构对电磁波的反射与金属板类似。因此将该FSS结构作为一微带偶极子天线地板来代替传统的金属板能实现对天线RCS的减缩。仿真和测试结果证实利用FSS地板代替传统金属板可以有效的减小天线RCS。4.高阻抗表面(HIS)由于其对特定频率的垂直入射波具有同相反射特性;同时金属表面对入射电磁波具有180度的反射相位。因此本文提出利用HIS与金属面的叠加而使两者反射场在空间相互抵消,从而减小目标的RCS。将该想法应用到了两个微带天线上,通过给两微带天线周围加载HIS结构,这样使HIS与微带天线金属表面的散射场相互抵消,从而减缩微带天线的RCS。仿真与测试结果表明本方法确实能减小微带天线的带内RCS。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 阵列天线散射方向图综合研究现状
• 1.2.2 超材料在RCS减缩中的应用
• 1.3 本文的主要内容和安排
• 第二章 天线散射基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 天线辐射和接收的基本理论
• 2.2.1 天线辐射理论
• 2.2.2 天线接收理论
• 2.3 天线散射的基本理论
• 2.3.1 天线RCS与辐射特性关系
• 2.3.2 天线散射基础理论公式
• 2.3.3 天线散射的其它表达式
• 2.4 本章小结
• 第三章 阵列天线散射特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 阵列天线单站RCS表达式
• 3.2.1 阵列天线辐射方向图乘积定理
• 3.2.2 阵列天线散射方向图乘积表达式
• 3.3 阵列天线RCS特性分析
• 3.3.1 阵列天线散射方向图乘积表达式的验证
• 3.3.2 阵列天线散射特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 阵列天线散射方向图综合
• 4.1 引言
• 4.2 优化算法工具介绍
• 4.2.1 PSO算法介绍
• 4.2.2 PSO算法基本流程
• 4.3 阵列天线散射方向图综合
• 4.4 本章小结
• 第五章 频率选择表面在天线雷达散射截面减缩中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 带阻型频率选择表面等效电路分析
• 5.3 一种具有高频率选择特性的新型带阻FSS结构
• 5.3.1 新型FSS结构的设计
• 5.3.2 新型FSS结构的频率选择特性
• 5.4 新型频率选择表面用于天线RCS减缩
• 5.4.1 FSS结构近区与远区的频率选择特性
• 5.4.2 FSS代替金属反射地板对天线辐射性能的影响
• 5.4.3 FSS代替金属反射地板对天线散射性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 高阻抗表面在天线雷达散射截面减缩中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 平面波照射时高阻抗表面的反射相位特性
• 6.2.1 金属贴片宽度的影响
• 6.2.2 缝隙宽度的影响
• 6.2.3 介质板介电常数的影响
• 6.2.4 介质板厚度的影响
• 6.2.5 金属过孔半径的影响
• 6.2.6 有限周期HIS结构的反射相位特性
• 6.3 HIS结构应用于天线雷达散射截面减缩
• 6.3.1 金属面与高阻抗表面组成的复合表面散射特性分析
• 6.3.2 微带天线加载HIS结构减缩天线雷达散射截面
• 6.3.3 微带天线加载HIS结构对天线互耦以及辐射性能的影响
• 6.3.4 实物与实测结果验证
• 6.3.5 斜入射时微带天线加载HIS结构的讨论
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者已发表的文章及科研情况