Low RCS Microstrip Patch Antenna Using Artificial Magnetic Conductors and Defected Ground Structure

Wei Luo, Hongyuan Zhang, Xiaolong Weng, Haiyan Chen, Wentao He, Kai Li，电子科技大学

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一种新的设计通过使用人工磁导体（AMC）和缺陷接地结构（DGS）缩小了微带天线的雷达截面（RCS）。RCS的缩小是通过相位抵消实现的。与传统的只使用AMC的方法相比，同时使用AMC和DGS可以缩小低频下的单静态RCS，同时显著提高增益。在8.19-15.84 GHz（63.7%带宽）范围内实现了10dB的RCS缩减，最大增益提升为3.7dB，发生在10GHz。

天线RCS是低观测平台总RCS的重要组成部分。但由于要发射和接收自己的雷达波，天线要隐身变得困难。微带天线因其体积小、重量轻、剖面低、能与天线载体表面贴合而被广泛用于通信系统。近年来，人们提出了几种缩小微带天线RCS的方法，其中一种是采用人工电磁材料。

由于电磁带隙（EBG）结构与理想电导体在谐振时的反射相位差为180度，它们的反射波会抵消。通过将EBG基板分布在天线贴片周围的部分区域，以牺牲天线辐射性能为代价，可以缩小RCS。¹ 对于宽带天线RCS的缩小，当相位抵消单元被两个不同的AMC取代并以棋盘形排列时，可以在较宽的频率范围内实现180±37度的相位差。^2-4 频率选择面（FSS）结构也可用于缩小天线RCS，但通常仅限于带外缩小。⁵ 为了同时缩小带内和带外天线RCS，FSS结构通常与其他方法相结合，如使用微带谐振器⁶和EBG。⁷

本工作通过使用AMC缩小天线RCS。与以往的工作不同，在天线设计中加入了DGS。DGS通常用于通过减少相互耦合^8,9、加宽阻抗带宽¹⁰和抑制交叉极化^11-13来提高天线性能。在本设计中，AMC结构与DGS相结合，以缩小天线在低频的RCS，同时提高增益。

AMC设计

常规的AMC结构由上表面周期排列的金属贴片组成，还有中间介质和金属接地。根据等效的LC谐振电路，在基板厚度确定后，用适当的贴片尺寸降低AMC中心频率并不能保证其带宽。中心频率为0度反射相位对应的频率，带宽为-90至+90度反射相位对应的频率范围。在接地平面上蚀刻DGS会引入额外的电感，在不改变上层贴片尺寸的情况下可降低中心频率，保持带宽不变。如图1所示，选择不同尺寸的方形贴片作为AMC单元——AMC1和AMC2。基板材料为Rogers RT5880（ε_r=2.2），接地平面上蚀刻了矩形孔。

图2显示了AMC1在不同孔宽度和极化下的反射相位。w=0mm的情况对应于常规AMC，L3设置为3mm。正如预期的那样，接地平面上的孔径对AMC的相位有很大影响。中心频率随着孔宽度的增加而降低，特别是当极化方向与w的方向平行时。图3a显示了w=2和0 mm的两个AMC在不同极化方向下的反射相位。AMC的相位与极化有关，图3b显示了不同情况下的相位差曲线。两种不同的常规AMC的有效相位差对应的频段为9.52-16.43 GHz，而AMC和DGS的最大孔径对应的频段为8.61-15.47 GHz。带宽几乎没有变化，相位差曲线则随着接地平面上蚀刻孔径的增加而向低频移动。

天线设计

原型天线的基板材料（图4）与AMC的相同，由同轴电缆供电。AMC以棋盘形放置在天线贴片周围，对称的DGS被刻蚀在接地平面上。DGS尺寸经过优化，在不影响同向极化增益和阻抗带宽的情况下，实现H面最大的交叉极化抑制，即|_S11| <-10dB。如前所述，DGS结构可以降低贴片附近的AMC中心频率。

图5a中绘制了仿真的|_S11|。天线1使用了常规AMC，天线2代表了本项工作，而一个未改动的贴片天线是参考天线。三根天线的谐振频率和阻抗带宽仅有细微差别。天线2的仿真增益在9-11 GHz时明显高于天线1，与参考天线相比，10 GHz时的最大增益提高了3.7dB（图5b）。天线1的仿真辐射图与参考天线辐射图几乎一致，而天线2的主波束更窄，说明其指向性更高（图6）。

在垂直入射时，天线的仿真单静态RCS见图7。与使用常规AMC的天线1相比，天线2的RCS在低频时缩小、高频时扩大，因为有效相位差带宽因DGS向低频移动。与参考天线相比，天线1从10.2至17.11GHz（50.5%带宽）的RCS缩小了>10dB；本工作的天线2的10dB RCS缩小的频段除了几个点外，为8.19至15.84 GHz（63.7%）。虽然>10 dB的RCS缩减的带宽略低于Zheng等人²的报道（8.8至17.3 GHz，65.2%）和Yao等人⁴的报道（13.4至26.9 GHz，67%），但天线2实现了低频的RCS缩减，并显著提高了天线增益。Zheng等¹⁴报道的最大增益提高了4.9dB，但对应的带宽只有55.1%（9.6至16.9 GHz）。与其他文献报道的结果相比，本设计的辐射和散射特性都得到了改善。

测量

为了验证仿真结果，用Keysight E8363B矢量网络分析仪测量了天线2的原型（图8）以及使用常规AMC和常规贴片的天线。如图9所示，虽然天线1和2的谐振频率较高、带宽略大，但实测性能与仿真结果相似。归一化辐射图见图10。正如仿真所预测的那样，天线2的指向性略有提高。垂直入射时的单静态RCS见图11。与仿真结果一样，天线2在低频下表现出比天线1更大的RCS缩减，与参考天线相比也有明显的缩减，这也与仿真结果一致。

结论

通过同时使用AMC和DGS，实现了贴片天线的RCS缩小和增益提高。对于垂直入射波，反射波在天线表面被抵消，在低频下可以更好地缩小RCS。并用AMC和DGS解决了提高增益和缩小RCS之间的矛盾，在不改变贴片设计的情况下缩小了RCS。