VHF-UHF可重构低RCS等离子体天线研究

作     者：张飞越 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁斌

授予年度：2018年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：VHF-UHF 等离子体天线 可重构 低RCS隐身特性 

摘      要：现代战争从根本上来说就是电磁战争。各种陆地移动作战平台、舰船、战机上都需要各种频段的天线来满足对不同通信、感知、追踪、导引的要求。在空间有限的载体中,多类型、宽带电磁信号转换装置——天线之间的耦合等相互作用导致严重的电磁兼容问题。另一方面,在发现即摧毁的今天,装备的隐身与反隐身性能变得尤为重要,位于UHF频段中的P波段雷达常用于反隐身雷达的实现,但该频段由于尺寸较大其自身雷达散射截面(RCS)也较大,急需解决UHF频段乃至波长更长的VHF天线的隐身问题。合理调控等离子体的分时浓度,通过重构技术把多款VHF-UHF频段天线进行融合,增强综合系统的电磁兼容性,降低合成天线的RCS,是当前各军事强国研究的重点。本文对等离子体天线的低RCS隐身原理进行研究,给出了上述问题的原理解决方案。较低频段时,虽然天线的几何体积大,但对应的等离子体浓度较低,隐身性能良好;较高频段时,等离子体浓度较大,但天线体积较小,不论是金属天线还是等离子体天线,其RCS与相关低频段天线相比都将大幅度减小。仿真证实,基于此原理实现的可重构等离子体VHF-UHF天线可在20GHz频段内实现其后向RCS比金属天线减小10dBsm的目标,满足隐身作战的需求。技术层面,本文首先在不同频段下对单极子天线为金属和不同厚度石英管材料时的RCS进行计算分析,给出等离子体天线低RCS隐身性能的演变规律等。针对用户对天线指标的要求,兼顾有限空间的电磁兼容性,通过基本不改变物理结构的重构方式设计两款宽带等离子体天线。首款是基于带寄生单元单极子的等离子体天线,在工作频率4000MHz和10000MHz范围内,满足天线S-10dB等指标要求,且实现了天线小型化。其二,基于阻抗的阶梯变换和串联支节线匹配理论提出了一款“3T结构等离子体天线,天线在4020MHz和12000MHz频段内满足S-6dB,H面具有全向性,增益大于1dB。优化地板后的全等离子体天线工作频段为3000MHz和10012MHz,满足后向RCS在20GHz监测雷达频段内比金属天线低10dBsm及其它指标。加工制作了1:4工作频带为4000MHz的基于带寄生单元单极子天线的缩比等离子体天线以及1:10的“3T结构天线的缩比金属天线模型,测试结果与仿真结果吻合良好。总之,本文通过对等离子体的研究与应用,在两款VHF-UHF宽带等离子体天线的设计分析与实现基础上,初步给出多天线融合与隐身这一综合难题的潜在解决方案。相信相关理论与工程实践的深入发展,将促进有限空间中高性能天线技术的发展与应用。