一種高增益低RCS微帶天線設計

2024年3月6日發(作者：速錄員)

一種高增益低RCS微帶天線設計

叢麗麗;曹祥玉;李文強;趙一;宋濤

【摘 要】設計了一種基于人工電磁材料的覆層,并將其應用于微帶天線.該覆層由介質板及其兩側的人工周期表面構成,上表面是加載集總電阻的方環貼片,具有寬帶吸波特性;下表面是開條帶縫和圓環縫的金屬貼片,具有部分反射特性.將其加載到微帶天線的上方,通過上層的吸波表面吸收入射電磁波并結合下層的部分反射表面與金屬地板構成Fabry-Perot (F-P)諧振腔增強天線的定向性,以實現微帶天線輻射和散射性能的改善.仿真和實測結果表明加載人工電磁材料覆層后,天線的RCS在2～14

GHz寬頻帶范圍內實現了明顯的減縮,最大減縮量達到28.3dB而天線的增益在工作頻帶內都得到了提升,最大提高了4.3 dB.

【期刊名稱】《空軍工程大學學報（自然科學版）》

【年(卷),期】2015(016)002

【總頁數】6頁(P67-72)

【關鍵詞】人工電磁材料;覆層;雷達散射截面;吸波;Fabry-Perot諧振腔

【作 者】叢麗麗;曹祥玉;李文強;趙一;宋濤

【作者單位】空軍工程大學信息與導航學院,西安,710077;空軍工程大學信息與導航學院,西安,710077;空軍工程大學信息與導航學院,西安,710077;空軍工程大學信息與導航學院,西安,710077;空軍工程大學信息與導航學院,西安,710077

【正文語種】中 文

【中圖分類】TN82

在電子戰與信息戰飛速發展的今天，隱身技術的優劣已經直接關系到作戰平臺的突防和生存能力。雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)，作為對目標隱身能力的一種度量，定量地反映了目標對電磁波反射能力的大小。為提升武器裝備隱身性能，大幅度降低目標平臺被敵方發現的概率，就要求盡量降低目標的RCS特征。隨著現代隱身技術的快速發展，飛行器以及艦艇等平臺的RCS已經得到了有效地減縮，但天線的RCS已成為制約戰機平臺總體隱身性能提高的重要瓶頸。天線作為一種特殊的散射體，在實現其RCS減縮的同時必須保證自身電磁波的正常發射和接收，因此，常規的RCS減縮方法(如低RCS外形設計[1]、雷達吸波材料技術[2-4]等，已不能簡單地直接應用于天線設計中。

天線雷達散射截面減縮所面臨的最大問題在于天線輻射性能與散射性能兩方面的兼顧，如何實現天線只輻射和接收我方雷達波，不反射和散射敵方雷達波，這實際上是很難解決的一對矛盾。截至目前，仍然是通過某種折中設計在一定程度上實現RCS減縮的目的，沒有根本解決天線輻射性能與隱身之間的矛盾。

人工電磁材料(Metamaterial，MTM)，是通過在一種介質中嵌入周期或非周期性金屬、介質結構使其呈現出自然界材料所不具備的奇異電磁特性[5-7]。這些新奇的特性為低RCS天線的設計提供了一種新的技術途徑。文獻[6]通過采用頻率選擇表面(Frequency lective surfaces，FSS)，取代傳統微帶天線的金屬接地板，利用其帶內全反射(表現出全反射金屬面特性)、帶外全傳輸的特點，實現了天線帶外后向RCS的減縮；文獻[8]采用帶通型頻率選擇表面(FSS)和極化選擇表面(PSS)構成頻率選擇雷達天線罩，實現了帶外RCS減縮；文獻[9]基于Salisbury屏吸波原理，通過在同相反射表面加載電阻構成吸波材料，使其與天線共面實現帶內天線RCS減縮,但是該方法破壞了天線的輻射環境，導致天線增益下降；文獻[10]利用AMC與PEC反射波相位相反的特點，構造相位相消屏并用于波導縫隙天線，實現了天線帶內鼻錐方向的RCS減縮；文獻[11]提出了一種交叉縫隙的超薄完美吸波

體，并與波導縫隙天線共形設計，在-25°～+25°角度范圍，天線RCS減縮均在5

dB以上，鼻錐方向的RCS減縮超過12 dB；文獻[12]將mushroom-like EBG與天線制作于介質板的同一表面，利用EBG的同相反射特性實現EBG表面與天線的散射場對消，在天線工作頻帶內，其RCS峰值下降了8.2 dB，同時由于EBG結構的高阻表面特性，天線的互耦得到了抑制；文獻[13～14]將部分反射表面(Partially reflecting surface，PRS) 引入天線覆層的設計，并與天線一體化改善了天線的性能。微帶天線由于其體積小、低輪廓、易共形、電性能多樣化等優點，在作戰武器平臺上有著廣闊的應用前景[15]。

1.1 覆層結構設計與分析

本文設計的覆層單元結構見圖1。單元周期為12 mm，上層是由加載集總電阻的方環貼片構成的吸波表面，環外邊長L1=8 mm，環寬w2=1 mm，開口長w1=1

mm，方環貼片開口處加載集總電阻R=200Ω；中間層是FR4介質層，介電常數εr=4.4，電損耗正切tanδ=0.02，厚度t=3.5 mm；下層是由開條帶縫和圓環縫的金屬貼片構成的部分反射表面，中心圓環縫的外徑為2.4 mm，內徑為2.25

mm,四邊縫隙長L2=6.8 mm，寬w=0.1 mm。對稱的單元結構設計使得覆層天線罩對于不同角度入射的電磁波都具有較好的極化穩定性。

利用Ansoft HFSS 14.0軟件中的Floquet端口和主從邊界條件模擬無限周期結構，仿真模型見圖2。電磁波由端口2入射時(方向-z到+z),2種極化情況下覆層反射層的頻率響應曲線見圖3(a)、(b)，從圖中可以看出，對于x極化， 下層開縫隙表面的諧振頻率為11.58 GHz，反射系數相位曲線的斜率在11.33～11.73 GHz的頻率范圍內都為正，反射系數模值均在0.8以上；對于y極化，下層開縫隙表面產生的諧振頻率略向高頻偏移，反射系數相位曲線的斜率在諧振頻率附近仍然保持為正，反射系數模值均在0.82以上。由仿真結果可見，無論x極化還是y極化，覆層均具有較強的部分反射特性。

電磁波由端口1入射時(方向+z到-z)，2種極化情況下上層吸波表面的頻率響應曲線和吸波率曲線見圖4～5，從圖中可以看出，對于x極化，在5.78～11.34 GHz的頻帶范圍內，反射系數S11<-10 dB，透射系數S21<-10 dB，反射波和透射波都很小，由吸波率計算公式可知，在上述頻段內吸波率都在81%以上；對于y極化，在5.78～11.53 GHz的頻帶范圍內，反射系數S11<-10 dB，透射系數S21<-10 dB，在該頻段內吸波率都在88%以上。仿真結果表明，上層表面在2種極化狀態下都能在寬頻帶范圍內吸收入射電磁波。

1.2 加載覆層后微帶天線仿真性能分析

將上述設計的人工電磁材料覆層加于微帶天線正上方，天線結構示意圖和仿真模型示見圖6。當天線的諧振頻率和覆層的結構固定后，覆層的加載高度成為影響天線輻射性能和散射性能的最主要因素。其高度h可由式... 決定[15]，∠φ1和∠φ2分別為部分反射表面PRS和金屬接地板的反射相位，εA為天線介質板的相對介電常數，d為天線介質板的厚度)，經過參數優化，最終選定加載的高度為h=12.9

mm。

圖7分別給出了加載覆層前后天線的反射系數曲線和增益曲線對比。從圖中可以看出，加載覆層后，天線的諧振頻率向低頻偏移，-10 dB阻抗帶寬范圍為11～12 GHz，較原始天線有所減小，由于下層的部分反射表面與金屬地板構成Fabry-Perot (F-P)諧振腔，增大了天線的輻射口徑，使得天線增益在10.93～11.93 GHz的頻帶范圍內有所提高，最大提高了4.3 dB。

圖8給出了加載覆層前后，天線在11.66 GHz處E面和H面方向圖對比圖。從圖中可以看出，加載覆層后，天線的定向性得到了明顯改善，增益有所提高。

為了分析天線的散射性能，分別用x極化和y極化的平面波照射加載覆層前后的天線。圖9給出了加載覆層前后天線RCS曲線對比圖。從圖中可以看出，無論x極化還是y極化，天線在2～14 GHz的寬頻帶范圍內均實現了RCS的有效減縮，

最大減縮量分別為26.7 dB和20.5 dB。仿真結果證明了加載覆層后的天線在x極化和y極化條件下都具有寬帶的低RCS特性。

加工制作了人工電磁材料覆層和微帶天線，為了減小一體化帶來的影響采用塑料螺釘將天線固定在微帶天線正上方，天線實物和實測配置圖見圖10。利用Agilent

N5230C矢量網絡分析儀對加載覆層前后天線的S11進行了測試，測試結果見圖11，從圖中可以看出，原始天線以及加載覆層后的天線實測-10 dB阻抗帶寬分別是10.8～12.5 GHz 和10.9～12 GHz，阻抗帶寬較仿真結果均向低頻有所偏移，這是由覆層加載高度與仿真有所偏差導致的。實測結果表明加載覆層后天線的諧振頻率向低頻偏移，帶寬有所減小，與仿真結果一致，驗證了設計的正確性。

選取加載覆層后天線的諧振點為測試頻點，該頻點處E面和H面方向圖見圖12。由實測結果可知，加載覆層后，天線E面和H面增益最大提高了3.9 dB和4.27

dB，實測結果驗證了加載覆層后天線的定向性得到了提高，與仿真結果保持一致。

為驗證天線RCS減縮性能，通過2個寬帶喇叭天線，一個作為發射端，一個作為接收端，發射端的天線輻射電磁波照射到待測天線上，經天線散射后的電磁波由接收端的天線接收。圖13給出了2～14 GHz頻帶范圍內兩種極化情況下加載覆層前后天線對于垂直入射波的反射損耗曲線，從圖中可以看出，水平極化(對應仿真模型中x極化)情況下，待測天線在2～14 GHz的寬頻帶范圍內均實現了RCS的有效減縮，其中，在4 GHz、6 GHz、11 GHz 3個頻點處的減縮量分別為21.1

dB、22.7 dB、28.3 dB；垂直極化(對應仿真模型中y極化)情況下也有類似的RCS減縮效果，最大減縮量為24.1 dB。測試結果與仿真結果基本一致，驗證了該天線具有寬帶低RCS特性。

本文基于F-P諧振腔理論模型和電阻能量耗散吸波原理設計了一種基于人工電磁材料的覆層，通過合理設計覆層結構，使其上表面具有吸波特性，下表面具有部分反射特性，將其加載于微帶天線正上方，有效地改善了微帶天線的輻射特性和散射

特性。實測結果表明：加載覆層后的天線RCS在2～14 GHz的寬頻帶范圍內得到了有效減縮，最大減縮量達到了28.3 dB，同時在天線工作頻帶內增益有所提高，最大提高4.3 dB，天線方向性得到增強。本文的研究對于兼顧微帶天線的輻射和散射特性，在實現低RCS的同時實現天線的增益改善，增強天線的定向性有一定的借鑒作用。

*通信作者：曹祥玉 (1964-)，女，教授、博士生導師，主要從事天線與電磁兼容，電磁超材料，計算電磁學等研究.E-mail：****************

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