基于AMC的吸波材料及其在微帶天線中的應(yīng)用

李有權(quán) 張光甫 袁乃昌

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073)

1.引 言

為了獲得性能優(yōu)異的吸波材料,世界各國都在致力于開發(fā)基于新型吸波機(jī)制的吸波材料。ENGHETA N首次提出用Metamaterial來獲得超薄吸收材料的思想[1],用含損耗的頻率選擇表面(HZFSS)實(shí)現(xiàn)了超薄吸收材料[2-4],但設(shè)計(jì)方法較為復(fù)雜,很難在實(shí)際當(dāng)中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]采用在高阻表面上加載集總電阻的方法實(shí)現(xiàn)超薄吸波,該方法結(jié)構(gòu)簡單,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

微帶天線因?yàn)槠溆休p、薄及容易共形的特點(diǎn),在各種作戰(zhàn)平臺(tái)上得到廣泛的應(yīng)用。降低微帶天線RCS對(duì)于降低整個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)的RCS具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的微帶天線RCS減縮方法如采用損耗襯底和加終端匹配等[6-8],都是以天線的輻射性能降低為代價(jià)的。本文首先研究了基于AMC結(jié)構(gòu)的吸波材料的設(shè)計(jì),給出了設(shè)計(jì)方法并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。然后,將這種超薄吸波材料應(yīng)用于微帶天線,測(cè)量結(jié)果表明：在所設(shè)計(jì)的頻帶內(nèi),天線RCS得到有效降低,而天線性能只是稍有下降,僅前向增益下降了0.9 dB,為微帶天線的減縮提供了一種新的方法。

2.基于AMC結(jié)構(gòu)吸波材料的設(shè)計(jì)

高阻電磁表面的提出,在物理上找到實(shí)現(xiàn)理想磁導(dǎo)體(PMC)特性的途徑。高阻電磁表面具有同相反射的特點(diǎn),在其等效并聯(lián)LC電路的諧振頻率上,可以等效看作是PMC。雖然這種結(jié)構(gòu)在物理上并不是真正意義上的理想磁導(dǎo)體,但是在某一頻率上會(huì)表現(xiàn)出與PMC相同的特性,因此,滿足這一特性的結(jié)構(gòu)稱作人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor：AMC)

基于AMC材料所設(shè)計(jì)的吸波材料包括兩個(gè)部分,具有同相反射特性的AMC結(jié)構(gòu)和損耗層。在介質(zhì)基板表面周期排列的方形貼片,底板為金屬板,可以實(shí)現(xiàn)AMC結(jié)構(gòu),直接將集總電阻加載在貼片之間實(shí)現(xiàn)損耗層。這種結(jié)構(gòu)仍然基于Salisbury屏原理[9],但是由于AMC同相反射特性,不存在1/4波長厚度的限制,可以實(shí)現(xiàn)超薄特性。選擇適當(dāng)?shù)碾娮枳柚悼梢栽谝欢l段內(nèi)較好地吸收入射電磁波。如圖1所示為基于AMC結(jié)構(gòu)吸波材料示意圖。

對(duì)于厚度為h的介質(zhì)板,底板為金屬,表面為周期方形貼片陣列,當(dāng)電磁波垂直入射到其表面時(shí),表面阻抗可以等效為容性的貼片陣和感性的介質(zhì)板并聯(lián),可表示為[10]

圖1 基于AMC結(jié)構(gòu)的吸波材料

式中：有效介電常數(shù) εeff=(εr+1)/2;有效波阻抗為有效波數(shù)為

當(dāng)電磁波垂直入射到厚度為h的介質(zhì)板時(shí),其輸入阻抗為

在諧振頻率,輸入阻抗的虛部趨近于無窮大,此時(shí)這種結(jié)構(gòu)可以等效為AMC,如果在其表面放置電阻片,就可以實(shí)現(xiàn)吸波效果,整個(gè)吸波結(jié)構(gòu)輸入阻抗為

對(duì)于垂直入射波,其表面反射系數(shù)為

所設(shè)計(jì)的AMC吸波材料采用如下參數(shù)：介質(zhì)板厚度為3 mm,介電常數(shù)為3.5,方形貼片寬度為8 mm,貼片間縫隙寬度為0.5 mm。我們制作了兩塊同樣尺寸的AMC結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)大小為138.6 mm×138.6 mm,其中一塊在方形貼片間加載阻值為620 Ω的集總電阻。

圖2 測(cè)量的AMC反射相位與表面反射系數(shù)

圖2所示為AMC反射相位及吸波材料表面反射系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看出,AMC反射相位在±60°的頻帶4.52～5.24 GHz,其帶寬為720 MHz,其中心頻率為4.88 GHz。AMC吸波材料表面反射系數(shù)低于-10 dB的頻段為 4.01～4.73 GHz,帶寬為720 MHz,中心頻率為 4.35 GHz。從測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)AMC吸波頻帶基本與其表面反射相位在±60°的頻帶相對(duì)應(yīng),但是,其中心頻率向低頻發(fā)生了偏移。這是由于加載集總電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生寄生電容,使得吸波頻段下移,而沒有與AMC同相反射頻段相對(duì)應(yīng),我們?cè)谠O(shè)計(jì)AMC結(jié)構(gòu)吸波材料時(shí)應(yīng)考慮到寄生電容的影響。

3.加載AMC吸波材料的微帶天線及測(cè)量結(jié)果

3.1 吸波材料在天線中應(yīng)用的基本原理

微帶天線RCS可分為結(jié)構(gòu)散射和模式散射,將基于AMC結(jié)構(gòu)的吸波材料用于天線設(shè)計(jì),主要是降低天線的結(jié)構(gòu)散射。加載方法是用吸波材料覆蓋天線的金屬結(jié)構(gòu),此時(shí)天線能夠正常輻射,而入射到天線上的電磁波則可以被吸波材料吸收。其主要設(shè)計(jì)思想為：

1)根據(jù)天線的工作頻帶,確定吸波材料的工作頻帶,吸波材料的工作頻帶應(yīng)覆蓋天線的工作頻帶。

2)根據(jù)天線的幾何尺寸,選擇合適尺寸的AMC結(jié)構(gòu),確保兩個(gè)以上單元的AMC結(jié)構(gòu)。

3)根據(jù)第二節(jié)AMC吸波材料的設(shè)計(jì)公式,計(jì)算出吸波材料的工作頻帶。在設(shè)計(jì)中必須考慮寄生電容的影響,會(huì)導(dǎo)致吸波頻帶向低頻移動(dòng)10%左右。

4)對(duì)所設(shè)計(jì)的吸波材料進(jìn)行測(cè)量,如果吸波頻帶能夠覆蓋天線的工作頻帶,則設(shè)計(jì)成功,否則需要調(diào)整AMC的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2 加載AMC吸波材料的微帶天線

加載AMC吸波材料的微帶矩形貼片天線如圖3所示。它們共用相同的基板,介質(zhì)板厚度為3 mm，介電常數(shù)為3.5,微帶天線采用同軸饋電方式,AMC吸波材料圍繞在輻射貼片四周,AMC參數(shù)與第二節(jié)所描述的參數(shù)相同,微帶天線貼片尺寸為16.8 mm×12.4 mm,在微帶貼片與AMC吸波結(jié)構(gòu)之間適當(dāng)留出距離,以減小對(duì)天線的影響。加載AMC吸波材料的天線整體尺寸為61.2 mm×61.2 mm。AMC吸波材料的工作頻帶覆蓋了天線的工作頻帶。

圖3 加載AMC吸波材料的微帶天線

3.3 測(cè)試結(jié)果及討論

在天線表面加載吸波材料后,對(duì)微帶天線的輻射性能會(huì)產(chǎn)生一定影響,我們主要從實(shí)驗(yàn)的角度分析其對(duì)天線性能的影響,主要分析了反射系數(shù),方向圖及RCS三個(gè)參數(shù)。

加載AMC吸波材料微帶天線與參考天線的反射系數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖4所示,加載吸波材料后微帶天線反射系數(shù)的帶寬基本沒有影響,只是深度有差異,這說明AMC吸波材料對(duì)其天線的反射系數(shù)影響較小。

圖4 天線反射系數(shù)比較

在微波暗室中對(duì)天線方向圖進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量頻點(diǎn)為4.35 GHz,為了便于比較,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了歸一化處理,如圖5(a)和(b)所示。

從測(cè)量的 E面和 H面方向圖來看,加載了AMC吸波材料后,對(duì)E面和H面的影響基本一致,即微帶天線方向圖在各個(gè)方向幅值稍有降低,但降低幅度不大。天線前向增益下降了0.9 dB。這是由于吸波材料對(duì)各個(gè)方向均有吸波效果。

為了驗(yàn)證吸波材料對(duì)天線結(jié)構(gòu)散射的降低效果,在測(cè)量時(shí)兩個(gè)天線都加載了匹配負(fù)載。由于天線整體尺寸較小,考慮到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)精度,采用如下測(cè)量方式：將兩個(gè)喇叭天線平排放置,中間放置吸波材料以減小天線間的耦合,把貼片天線放置在距離喇叭100 cm處,此時(shí)入射波可近似看作平面波。在微波暗室中對(duì)兩個(gè)天線的后向散射進(jìn)行了測(cè)量,電磁波入射方向垂直于天線表面,電場方向與 x方向平行。

加載吸波材料后微帶天線 RCS減縮結(jié)果如圖6所示,可以看出在整個(gè)頻帶內(nèi)RCS值均有減縮,在4.1～4.83GHz頻帶內(nèi),天線的 RCS降低了10dB以上,RCS減縮頻段與AMC吸波材料的工作頻段一致,說明RCS的減縮是因?yàn)锳MC吸波材料的緣故。圖6中RCS減縮曲線在4.5 GHz周圍存在一個(gè)突起,這是因?yàn)樘炀€工作在這個(gè)頻段,雖然加載了匹配負(fù)載,但是模式散射依然存在一些影響。從測(cè)量結(jié)果可以看出吸波材料能夠有效降低微帶天線的結(jié)構(gòu)散射。

圖6 加載AMC吸波材料后天線RCS減縮

4.結(jié) 論

周期排列的金屬貼片陣在諧振頻率可以實(shí)現(xiàn)人工磁導(dǎo)體特性,在貼片間加載集總電阻能夠吸收入射電磁波,實(shí)現(xiàn)超薄吸波材料,其吸波頻段對(duì)應(yīng)于同相反射相位在±60°的區(qū)域。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)由于寄生電容,吸波頻段會(huì)往低頻偏移。將這種超薄吸波材料應(yīng)用于微帶天線中,能夠有效降低微帶天線的RCS,同時(shí)微帶天線輻射特性影響較小,僅前向增益下降0.9dB。

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