基于可调负载阻抗的单天线带内RCS零点控制研究报告

本报告旨在向国内同行介绍一项发表于《无线电工程》期刊的最新研究成果。这项研究由来自北京理工大学、中国电子科学研究院及北京理工大学（珠海）海洋学域的研究团队完成，主要作者包括杨胜辉、闻振杰、郭佳乐、张彬超（通信作者）和胡伟东。该研究的录用定稿于2025年12月1日，并于2026年1月23日在网络上首发，标志着在雷达散射截面（Radar Cross Section， RCS）缩减技术领域取得了一项重要进展。研究团队提出了一种创新性的方法，仅通过调控单个天线的负载阻抗，即可实现工作频带内RCS零点的主动、可控调节，从而在不牺牲天线辐射性能且不增加额外物理孔径的前提下，有效降低单站和双站雷达散射截面。

研究的学术背景与动因
本研究的核心科学领域是天线技术与电磁散射（雷达隐身技术）。随着现代雷达探测技术的飞速发展，军事及民用设备平台的隐身性能已成为决定其生存与效能的关键。在平台的总体RCS贡献中，天线的散射信号往往是主要来源之一，因为天线作为电磁波的接收与发射器件，其物理结构在面对入射雷达波时必然产生散射。因此，降低天线的RCS，尤其是其工作频带内的RCS，长期以来是学术界和工业界持续关注的热点与难点。

在技术发展脉络中，天线的RCS缩减研究已取得诸多成果，主要可分为带外缩减与带内缩减两大类。带外缩减常借助人工磁导体、宽带吸波体或各类超表面实现。而对于更具挑战性的带内RCS缩减（即在天线的工作频点附近进行减缩），现有技术路径主要包括：优化天线物理结构（如镂空、仿生设计）、在馈电端口引入辅助电路以调控散射场、以及将天线与超表面一体化集成设计。然而，这些方法大多存在局限性：针对天线阵列的方案，利用了阵列因子进行场调控，对于单天线则不适用；而为单天线增加超表面的方法，通常需要扩大天线口径以容纳超表面单元；基于特征模理论进行结构优化的方法，则过程复杂且未能实现RCS零点的主动、动态调控。因此，如何在不增加单天线尺寸、不显著影响其辐射性能的前提下，实现对其工作频带内RCS，特别是RCS零点的灵活控制，成为一个亟待突破的技术瓶颈。本研究正是针对这一核心问题，旨在提供一种简洁、高效的解决方案。

详细的研究流程与方法
本研究遵循了“理论建模-仿真设计-实物验证”的严谨科研流程。整个研究过程主要包含三个核心步骤。

第一步：理论基础与数学模型构建。
研究团队首先从天线散射场的基本理论出发。根据经典理论，天线的总散射场Es由结构模式散射场Ess和天线模式散射场Eas构成。通过分析天线在短路和开路两种极端负载条件下的散射场数据，可以分离出这两个分量。研究的关键在于建立天线在任意负载阻抗Zl下的总散射场表达式。最终推导得到公式：Es(Zl) = [Zs(∞) * (Zl + Za) + Zs(0) * (Zl - Za)] / (Zl + Za)，其中Zs(0)和Zs(∞)分别为短路和开路散射场，Za为天线输入阻抗。基于此公式，研究团队提出了核心控制原理：若期望在天线远场方向图的θ_null角度处形成一个RCS零点（即该方向散射场为零），则所需加载的终端负载阻抗Zl必须满足特定关系式：Zl(θ_null) = - Za * [Zs(0)|θ=θ_null / Zs(∞)|θ=θ_null]。这一数学模型的建立，清晰地揭示了负载阻抗值与RCS零点空间位置的直接对应关系，为后续的主动控制奠定了理论基础。研究还指出，当零点设置在0°方向（即正对入射方向）时，可实现最佳的单站RCS缩减；而通过设置不同的零点角度，可以抑制该角度附近区域的散射，从而在更宽的角度范围内实现RCS减缩。

第二步：天线设计与仿真验证。
为了验证上述理论，研究团队选择了一款工作频率为2 GHz的传统矩形贴片天线作为研究对象。天线介质基板采用Rogers RO3003，通过仿真软件（HFSS）建模并仿真，获取了天线在短路和开路状态下的散射场方向图数据，以及天线的输入阻抗Za。随后，根据第一步推导出的数学模型，计算了在0°至90°范围内不同RCS零点角度所对应的目标负载阻抗值。同时，为了保证天线的正常辐射功能，必须将负载阻抗的变化约束在可接受的阻抗匹配范围内（例如，反射系数S11 < -10 dB）。仿真计算表明，在满足匹配要求的前提下，该天线可实现0°至60°范围内的RCS零点调控。
接下来是实现负载阻抗的可控变化。研究团队摒弃了复杂的可变电阻或PIN二极管电路，创新性地提出了一种结构简单、易于实现的方案：在天线的馈线末端，通过级联一段不同长度的开路枝节来实现负载阻抗的调控。根据传输线理论，该结构的负载阻抗值由枝节的长度Ls、枝节与终端连接点的距离ds以及馈线宽度w等参数共同决定。其中，阻抗的实部主要由w控制，虚部主要由ds和Ls调控。研究通过参数扫描仿真，详细分析了各几何参数对负载阻抗实部和虚部的影响规律，为精准设计提供了依据。基于此，研究团队通过优化ds、Ls和w的组合，成功设计出了五组不同的结构参数，分别对应将RCS零点调控至0°、15°、30°、45°和60°的目标。全部设计过程依赖商业电磁仿真软件HFSS完成，未涉及特殊的自研算法或软件。

第三步：加工实测与性能对比。
在仿真验证成功的基础上，研究团队加工制作了五组对应的天线实物样机。考虑到实际加工中需要焊接SMA接头等因素，对仿真中的结构参数进行了微调优化。测试在微波暗室中进行，分为辐射性能测试和散射性能测试两部分。辐射测试评估天线作为发射器时的反射系数（S11）和增益；散射测试则采用线极化发射天线正入射照射待测天线，并由接收天线在拱形架上移动，测量不同角度下的后向散射信号，进而得到RCS方向图。由于测试架的角度限制，实测散射方向图主要集中在15°以上角度。研究将实测结果与仿真结果进行了详细对比，以验证设计方法的有效性和实际可行性。

主要研究成果与数据分析
研究通过仿真和实测，全面验证了所提方法的有效性，并获得了详实的数据支持。
在辐射性能方面，仿真结果表明，在所有五种RCS零点配置下，天线在1.98-2.02 GHz的工作频带内，其反射系数S11均低于-10 dB，满足良好匹配的要求。同时，天线的实测增益稳定在6.5 dBi以上。这表明，通过调控负载阻抗改变RCS特性的过程中，天线的辐射性能（包括阻抗匹配和增益）基本保持不变，成功实现了辐射与散射特性的解耦设计。
在散射（RCS）性能方面，仿真结果与基于数学模型的理论计算结果高度吻合。双站RCS方向图清晰地显示，通过加载不同的枝节结构（即不同的负载阻抗），天线的RCS零点可以准确地出现在预设的0°、15°、30°、45°和60°方向上。更重要的是，与传统的共轭匹配负载（旨在获得最佳辐射效率的负载）状态相比，该方法能显著降低RCS。例如，当零点设置在0°时，在2 GHz中心频率处的单站RCS相比共轭匹配状态降低了超过30 dB；即使零点设置在45°，单站RCS也能实现超过10 dB的减缩。三维RCS方向图的仿真结果进一步直观展示了零点调控的效果：未加载枝节时天线RCS方向图无显著零点；加载对应30°和60°零点的阻抗后，方向图上分别在相应角度形成了深陷的零陷。频域分析显示，RCS减缩带宽与天线的工作带宽基本一致，在2 GHz处达到最佳减缩效果。
实测数据基本支持了仿真结论。五组天线的辐射性能（S11和增益）实测曲线与仿真曲线趋势一致，存在微小偏差，主要源于加工和焊接公差。对于散射性能，由于测试中SMA接头引入的寄生参数影响，导致实际负载阻抗与设计值存在偏差，使得实测的RCS零点位置（例如设计为30°、45°、60°）与仿真结果相比有向小角度方向的偏移。尽管如此，实测的归一化散射方向图依然在预期角度附近呈现出明显的凹陷，有力证明了该方法在实物上实现RCS零点调控的可行性。研究团队还将本方法与近年来的其他单天线RCS减缩技术进行了对比，表格数据显示，本方法在保持较小天线尺寸（0.47λ × 0.47λ）和稳定增益的同时，首次在单天线上实现了带内RCS零点的主动调控，这是区别于其他方法的核心优势。

研究的结论与价值
本研究成功提出并验证了一种基于可调负载阻抗的单天线带内RCS零点控制新方法。主要结论是：通过理论建立天线散射场零点位置与终端负载阻抗的精确数学模型，并利用在馈线上级联简单开路枝节这一结构来实现所需的阻抗变化，可以在不影响天线自身辐射性能的前提下，实现对工作频带内RCS零点的可调谐控制。这一方法为单天线系统的雷达隐身设计提供了全新的思路。
该研究的科学价值在于，它深入揭示了单天线散射场调控的一个新维度——负载阻抗，并建立了其与远场散射空间特性的直接量化关系，丰富了天线散射理论。在应用价值方面，该方法具有显著优势：无需阵列，仅针对单个天线即可实施；无需增加孔径，保持了天线的小型化；调控手段简单，仅需改变馈线末端的枝节结构，易于实现；效果显著，可同步实现单站和双站RCS的10 dB以上减缩。这使得该方法特别适用于对空间、重量有严格限制，但又需具备一定低可观测性能的平台上的天线设计，如小型无人机、导弹导引头等。

研究的亮点与特色
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 创新性强：首次明确提出了通过调控单天线负载阻抗这一“电学”手段，来实现其“空间”RCS零点可控的概念与完整方法，突破了传统依赖“几何”结构修改或“阵列”场叠加的思路。2. 理论模型清晰：研究从基本散射场公式出发，推导出直观的零点-阻抗关系式，物理意义明确，为指导工程设计提供了直接依据。3. 实现方案简洁高效：采用开路枝节这一无源、静态结构来实现阻抗变化，避免了复杂的有源电路或昂贵的可调元件，降低了系统复杂度和成本。4. 辐射-散射性能解耦：成功在宽范围内调控RCS的同时，确保了天线核心的辐射性能基本不受影响，解决了隐身天线设计中常见的性能折衷难题。

其他有价值的内容
研究在讨论中也指出了本方法的局限性与未来改进方向。例如，RCS减缩的带宽受限于天线本身的工作带宽，若要拓宽减缩带宽，需要采用宽带天线，但这可能会增加负载阻抗匹配电路的复杂度。此外，实测中因焊接等因素引起的性能偏差，提示在实际工程应用中需要对寄生参数进行更精确的补偿或采用更稳定的集成化阻抗调控模块。这些讨论为该技术的进一步工程化应用指明了需要关注和解决的问题。