基于分形超材料吸波體的微帶天線設(shè)計(jì)?

商楷??，曹祥玉，楊歡歡，劉濤，袁子?xùn)|，趙一

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

基于分形超材料吸波體的微帶天線設(shè)計(jì)?

商楷??，曹祥玉，楊歡歡，劉濤，袁子?xùn)|，趙一

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

基于十字分形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種小型化、超薄、高吸波率以及無(wú)表面損耗層的超材料吸波體。該吸波體是由兩層金屬及其中間的有耗介質(zhì)組成，上層金屬是由周期性蝕刻十字分形的貼片組成的電諧振器，下層金屬不蝕刻，作為整個(gè)金屬地板。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，吸波體單元尺寸僅為0.13λ，厚度為0.0093λ，最大吸波率達(dá)99.6%。將此吸波體加載于普通微帶天線上，制備了一種新型超材料天線。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比普通微帶天線，新天線在5.52～5.68 GHz工作頻帶內(nèi)，法向RCS減縮都在3 dB以上，最大減縮量達(dá)13.5 dB，單站RCS在－18°～＋18°角域減縮超過(guò)3 dB，且天線輻射性能保持不變，證實(shí)了該吸波體具有良好的吸波效果，可以應(yīng)用于微帶天線的帶內(nèi)隱身。

微帶天線；吸波體；超材料；十字分形；帶內(nèi)隱身

1 引言

2008年，Landy等人［1］提出一種超薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸波率接近100%的超材料吸波體，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的吸波效果，引起了研究人員的極大興趣并積極開(kāi)展研究，其電磁特性也不斷得到改善，如提高入射角穩(wěn)定性［2－3］、極化穩(wěn)定性［4－5］、增加吸波頻帶（雙帶／多帶）［6－7］、擴(kuò)展吸波頻帶帶寬［8－9］等。這類(lèi)吸波體的工作機(jī)理是通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)超材料的吸波模型，調(diào)控超材料單元的電諧振和磁諧振，使ε（ω）＝μ（ω），實(shí)現(xiàn)吸波材料與自由空間的阻抗匹配，降低入射波的反射率，并利用結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)損耗和歐姆損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)烈吸收。這一機(jī)理使其克服了衍射效應(yīng)給傳統(tǒng)吸波材料帶來(lái)的厚度限制，達(dá)到了吸波材料輕薄的設(shè)計(jì)要求。與文獻(xiàn)［10］提出的基于超材料的吸波材料相比，這類(lèi)材料的另一顯著優(yōu)點(diǎn)在于不需加載集總電阻作為損耗層就可實(shí)現(xiàn)接近100%的吸波率，這使得其應(yīng)用前景十分廣闊。

吸波體最重要的應(yīng)用方向之一就是目標(biāo)隱身，但已有文獻(xiàn)都僅分析了此類(lèi)新型吸波材料的吸波特性，并沒(méi)有具體分析其在微帶天線RCS減縮中的應(yīng)用。近來(lái)，有文獻(xiàn)［11－13］將此類(lèi)吸波體加載在波導(dǎo)縫隙天線上實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)RCS減縮，但由于吸波體結(jié)構(gòu)電尺寸較大，限制了其加載數(shù)量。為了在有限的區(qū)域中加載更多的吸波體，實(shí)現(xiàn)更好的RCS減縮效果，對(duì)吸波體單元進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)是非常必要的。大量的研究表明［14－15］，利用分形結(jié)構(gòu)獨(dú)特的空間填充特性，可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化設(shè)計(jì)，而將分形技術(shù)用于超材料吸波體的研究并不多見(jiàn)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種吸波率達(dá)99.6%的十字分形超材料吸波體（Cross Fractal Absorbing Metamaterial，CFAM），并將CFAM應(yīng)用到微帶天線上，制備出新的超材料微帶天線，在保持天線輻射性能的同時(shí)減縮其帶內(nèi)RCS。

2 CFAM設(shè)計(jì)與分析

圖1為設(shè)計(jì)的CFAM單元結(jié)構(gòu)示意圖，方形薄金屬貼片邊長(zhǎng)W＝6.8 mm，十字分形，a＝6.4 mm，s＝0.8 mm；中間為介電常數(shù)εr＝4.4（1＋0.02i），厚度h＝0.5 mm（約為0.0092λ，λ是5.5 GHz的自由空間波長(zhǎng)）的FR4介質(zhì)層；底層為連續(xù)的金屬薄膜，單元周期p＝7 mm。設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)，一是電、磁諧振器中心對(duì)稱(chēng)可以消除吸波的各向異性，二是全金屬背板在保證透射率為零（即S212＝0）的同時(shí)簡(jiǎn)化了加工工藝。

圖1CFAM單元Fig.1 CFAM unit

定義反射率R＝S112，透射率T＝S212，則吸波率為

式中，S11為反射波系數(shù)，S21為透射波系數(shù)。

由于圖1中材料的底層為連續(xù)的金屬薄膜，沒(méi)有透射，故S212＝0，則A＝1－S112。采用基于有限元法的商業(yè)軟件Ansoft HFSS12進(jìn)行仿真。用TE和TM極化的平面波從不同角度照射吸波體（如圖1），仿真得到的吸波率曲線如圖2所示?？梢?jiàn)，當(dāng)入射角為0°時(shí)，兩種極化下的吸波率均在5.5 GHz達(dá)到最大值99.6%，隨入射角增大到60°，雖然吸波率有所降低，但仍保持在85%以上，且對(duì)應(yīng)的頻率變化很小，尤其對(duì)TM極化吸波率曲線非常穩(wěn)定，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的吸波性能具有極化不敏感和寬入射角特性，因而可將其用于不同極化和寬角域的天線RCS減縮。

圖2 吸波率隨入射角的變化Fig.2 Simulations of absorptivity as a function of frequency at various angles of incidence

吸波體實(shí)現(xiàn)吸波必須具備兩個(gè)條件，即阻抗匹配和損耗特性。對(duì)于設(shè)計(jì)的吸波體，根據(jù)文獻(xiàn)［16］中的結(jié)論，其相對(duì)阻抗由下式得到：

等效折射率n為

其中，k為波數(shù)，h為吸波體厚度。根據(jù)式（1）計(jì)算得到電磁波垂直入射時(shí)的相對(duì)阻抗如圖3所示，5.5 GHz時(shí)阻抗的實(shí)部近似為1，虛部接近為0，表明吸波體與自由空間實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配，因而使反射波很小，同時(shí)，吸波體底層連續(xù)的金屬薄膜保證了透射為零，這樣，入射波只能被吸波體吸收。同樣，由于S21＝0，吸波體的等效折射率n（n＝n1＋in2）不能由式（2）直接計(jì)算求得，但折射率與散射參數(shù)之間滿足下式［7］：

由式（3）可知，為使等式右邊為0，折射率的虛部n2應(yīng)當(dāng)非常大，這就保證了電磁波在吸波體中傳輸時(shí)將被最大程度地吸收［13］。

圖3相對(duì)阻抗Fig.3 Relative impedance

圖4 ～5分別給出了電磁波垂直入射時(shí)CFAM在5.5 GHz的電場(chǎng)和電流分布。其中，電場(chǎng)分布表明：入射電磁波的電場(chǎng)分量與上層分形貼片左右兩側(cè)的金屬臂產(chǎn)生了電偶極子響應(yīng)［9］，在貼片的兩端激勵(lì)出兩個(gè)電極（如圖4（a）），同時(shí)，這兩個(gè)電極又與金屬底板強(qiáng)烈耦合（如圖4（b）），形成了類(lèi)似于LC的諧振回路，從而產(chǎn)生了電諧振；電流分布表明：入射電磁波的磁場(chǎng)分量穿透上層金屬，在上下兩層金屬之間產(chǎn)生了水平方向的磁諧振［9］，相應(yīng)地在十字分形槽的上下端及對(duì)應(yīng)的金屬底板上激發(fā)出反向平行的電流（如圖5）。電諧振和磁諧振的同頻產(chǎn)生，使得CFAM在5.5 GHz能夠幾乎100%地吸收入射電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量。

圖4 電場(chǎng)分布Fig.4 The distribution of electric field

圖5 電流分布Fig.5 The distribution of current

此外，從圖5可以看出，在超材料吸波體單元上開(kāi)十字分形槽后，利用其結(jié)構(gòu)的自相似性增大了吸波體單元上電流流動(dòng)路徑，實(shí)現(xiàn)了吸波體單元結(jié)構(gòu)的小型化。表1給出了CFAM與文獻(xiàn)［11－13］中設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)單元比較結(jié)果。

表1 不同吸波體單元尺寸對(duì)照表Table 1 Unit sizes comparison between different absorbers

從表1列出的吸波體單元尺寸可以看出，F(xiàn)CPAM結(jié)構(gòu)電尺寸相比文獻(xiàn)［11］縮小了23.5%，相比文獻(xiàn)［12－13］縮小了31.6%，小型化效果明顯。

3 加載十字分形吸波體微帶天線

微帶天線的散射包括結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射和模式項(xiàng)散射，加載超材料吸波體減縮天線帶內(nèi)RCS主要是減小其結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射（峰值常在天線法線方向）。利用所設(shè)計(jì)吸波體的超薄特性，直接將CFAM吸波體敷貼在普通微帶天線的輻射貼片周?chē)?，并與貼片保持一定的距離，此時(shí)保證天線正常輻射，而入射到天線上的電磁波則被吸波體吸收。這里普通微帶天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：貼片長(zhǎng)20 mm，寬15 mm，介質(zhì)板為聚四氟乙烯，介電常數(shù)為2.65，厚度為2 mm，天線整體尺寸為56 mm×56 mm。

3.1 天線的輻射特性

設(shè)計(jì)天線與普通天線的輻射性能對(duì)比如圖6～7。從圖中結(jié)果可見(jiàn)，加載吸波材料后，天線的諧振頻率向高頻移動(dòng)至5.58 GHz，諧振深度基本沒(méi)有變化，帶寬由普通天線的5.39～5.61 GHz擴(kuò)展為5.41

～5.68 GHz，絕對(duì)帶寬增加了50 MHz，相對(duì)帶寬也從原來(lái)的4.2%增大到4.8%。在普通天線上加載吸波體后，減弱了電磁波的繞射，使得天線E面和H面的的后瓣得到抑制，同時(shí)法線方向增益略有提高。

圖6 仿真S11曲線對(duì)比Fig.6 Simulation S11curve comparison

圖7 仿真方向圖對(duì)比Fig.7 Comparison of simulated radiation patterns

為驗(yàn)證以上結(jié)論，加工了實(shí)際的微帶天線并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量。圖8為普通天線和加載完美吸波微帶天線的實(shí)物圖，圖9是用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到的天線S11曲線。和仿真相比，加載材料前后天線的諧振頻率都向高頻偏移，其中普通天線偏移至5.58 GHz，設(shè)計(jì)天線偏移至5.62 GHz，且?guī)捖杂袦p小，分析認(rèn)為這是由于加工誤差引起的。從圖10測(cè)得兩天線的輻射方向圖可以看出：加載材料后，微帶天線的增益略有提高，這與仿真結(jié)果吻合得很好。測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果的差異主要是由測(cè)試環(huán)境和條件造成的。

圖8 加工實(shí)物圖Fig.8 Photos of common antenna and designed antenna

圖9 實(shí)測(cè)S11曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of measured S11curve

3.2 天線的RCS特性

當(dāng)平面波垂直照射兩天線時(shí)，仿真得到的單站RCS掃頻曲線如圖11（a）所示，可見(jiàn)，F(xiàn)CPAM的加載使天線的RCS在5.1～5.8 GHz均有減縮，在5.62 GHz減縮最大達(dá)13.5 dB，且天線工作頻帶（5.52～5.68 GHz）內(nèi)RCS減縮均在3 dB以上。圖11（b）為在5.6 GHz用平面波從不同角度照射天線得到的單站RCS曲線，由圖可知，加載材料后天線法線方向的RCS峰值明顯消除，且在－18°～＋18°角域天線RCS都有3 dB以上減縮。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于分形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新穎的分形超材料吸波體CFAM，分析了其吸波性能和機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的小型化、超薄和高吸波率，并將其加載在普通微帶天線上，以改善天線的散射性能。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明：加載前后微帶天線的輻射性能基本保持不變，同時(shí)天線的帶內(nèi)RCS得到了有效減縮，法線方向的峰值得到了較好抑制。本文的研究對(duì)于超材料吸波體的應(yīng)用和天線RCS減縮有一定的借鑒作用。

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SHANG Kai was born in Huanggang，Hubei Province，in 1989.He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2011.He is now a graduate student.His research concerns microstirp antenna，aritificial electromagnetic materials and scattering theory.

Email：xiangxuehai1989＠163.com

曹祥玉（1964—），女，河南南陽(yáng)人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€與電磁兼容、電磁超材料、計(jì)算電磁學(xué)等；

CAO Xiang-yu was born in Nanyang，Henan Province，in 1964.She is now a professor and also the Ph.D.supervisor.Her research concerns antenna and electromagnetic compatibility，electromagnetic metamaterials，and computational electromagnetics.

楊歡歡（1989—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)、人工電磁材料等；

YANG Huan-huan was born in Zhumadian，Henan Province，in 1989.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

趙一（1988—），男，河南開(kāi)封人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)、人工電磁材料等。

ZHAO Yi was born in Kaifeng，Henan Province，in 1988.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

Design of a Microstrip Antenna Based on Fractal Metamaterial Absorber

SHANG Kai，CAO Xiang-yu，YANG Huan-huan，LIU Tao，YUAN Zi-dong，ZHAO Yi
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

A metamaterial absorber with miniaturization，ultra thinness，high absorptivity rate and no surface ullage layer is designed based on cross fractal structure.The absorber is composed of two metallic layers separated by a lossy dielectric spacer.The top layer consists of etched cross fractal patch set in a periodic pattern and the bottom one is a solid metal.By optimizing the geometric parameters of the structure，its unit size is only 0.13λ，the thickness is about 0.0093λand the absorption can exhibt 99.6%.When it is loaded on a coventional microstrip antenna，a novel metamaterial antenna is obtained.The simulation and measured results demonstate that compared with conventional antenna，the radar cross section（RCS）of the novel antenna in boresight direction is reduced by 3 dB，and the most reduction vaule exceeds 13.5 dB，the monstatic RCS reduction is over 3 dB from－18°to＋18°，while the radiation performance is kept，which proves that the absorber has an excellent absorptivity and can be applied to microstrip antennas to achieve in-band stealth.

microstrip antenna；absorber；metamaterial；cross fractal；in-band stealth

The National Natural Science Foundation of China（No.61271100）；Project Supported by the Key Program of the Fund for Basic Research in the Natural Science of Shaanxi Province（2010JZ010）；The Fund for Basic Research in the Natural Science of Shaanxi Province（2012JM8003）

date：2013－01－05；Revised date：2013－04－03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61271100）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2010JZ010）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2012JM8003）

??通訊作者：xiangxuehai1989＠163.comCorresponding author：xiangxuehai1989＠163.com

TN82

A

1001－893X（2013）07－0938－06

商楷（1989—），男，湖北黃岡人，2011年于空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事微帶天線，人工電磁材料，電磁散射理論等方向的研究；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.022

2013－01－05；

2013－04－03