基于超材料完全吸收器的低RCS微帶天線

顧 帥，劉亞紅，羅春榮，趙曉鵬

(西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系， 西安710129)

0 引言

超材料完美吸收器是一種人工設(shè)計(jì)的周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)材料，其在外加電磁場所激發(fā)的諧振響應(yīng)可產(chǎn)生有效的高吸收效果，合理設(shè)計(jì)超材料單元結(jié)構(gòu)形狀、大小和排列方式，能夠達(dá)到對(duì)電磁波的完全吸收［1-2］，這種優(yōu)異的電磁波吸收特性可用于隱身技術(shù)。隨著信息戰(zhàn)和電子戰(zhàn)的迅猛發(fā)展，戰(zhàn)場環(huán)境中的隱身效果已經(jīng)成為戰(zhàn)場生存的首要因素，現(xiàn)階段有多種方法能達(dá)到隱身的目的［3］。但是，對(duì)于雷達(dá)隱身，一直沒有效果明顯的技術(shù)和方法，因而，雷達(dá)隱身成為隱身技術(shù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。特別是對(duì)于微帶天線，由于微帶天線的工作是由于諧振產(chǎn)生的激勵(lì)發(fā)射電磁波，所以，在微帶天線工作頻帶上往往具有較高的雷達(dá)散射截面(RCS)［4-5］。雖然微帶天線具有拋面薄、體積小、重量輕、易與飛行器共形等優(yōu)點(diǎn)，但是，它具有較高的RCS限制了其實(shí)際應(yīng)用。

微帶天線RCS縮減技術(shù)有縫隙加載技術(shù)、頻率選擇極化技術(shù)、面天線阻抗加載技術(shù)、選頻濾波罩技術(shù)等多種方法［6-9］，而且比較成熟的選頻濾波罩技術(shù)要用于現(xiàn)在的雷達(dá)天線還有很多具體問題尚待解決［10］。在研究新材料的時(shí)候，為了簡化設(shè)計(jì)，一般是研究單貼片情況下的各項(xiàng)性能［11-15］，本文設(shè)計(jì)了一種基于超材料完全吸收器的微帶天線，通過調(diào)節(jié)吸收單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和微帶天線輻射貼片的幾何尺寸，使吸收器的工作頻帶與微帶天線的工作頻帶相匹配，將超材料吸收器鑲嵌在微帶天線的四周，從而實(shí)現(xiàn)微帶天線在工作頻帶內(nèi)RCS的縮減。這種基于超材料完全吸收器的微帶天線，不僅解決了微帶天線RCS較高的缺點(diǎn)，同時(shí)繼承了微帶天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易共形的特點(diǎn)，可直接應(yīng)用印刷電路板制造工藝進(jìn)行制作。

1 圓環(huán)超材料吸收器的設(shè)計(jì)

圓環(huán)超材料吸收器結(jié)構(gòu)由金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)、介質(zhì)基板和金屬薄膜組成。當(dāng)電磁波垂直入射到超材料吸收器表面時(shí)，不同大小的圓環(huán)會(huì)在不同的頻率產(chǎn)生諧振吸收電磁波，當(dāng)適當(dāng)組合不同大小的圓環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，就能形成寬頻帶的吸收效果［16］。通過基于有限時(shí)域差分(FDTD)的電磁軟件CST模擬計(jì)算得到吸收器的反射S11參數(shù)，由于背面是金屬膜，所以，透射為0 dB，吸收率Abs=1-|S11|2。

根據(jù)不同尺寸結(jié)構(gòu)單元組合拓寬吸收帶寬的原理，通過仿真模擬設(shè)計(jì)了一種由八組圓環(huán)結(jié)構(gòu)組成的吸收單元［17］，該吸收單元由八種圓片形狀的貼片按照對(duì)角組合規(guī)律排列，圖上用數(shù)字標(biāo)示各種不同結(jié)構(gòu)的銅圓環(huán)。正面為圓環(huán)結(jié)構(gòu)銅片，銅厚度均為0.035 mm，電導(dǎo)率為5.8×107S/m;中間介質(zhì)為FR-4基板，厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為4.65，損耗角正切為0.025。整個(gè)正方形面板單元邊長為120 mm。1號(hào)類型圓環(huán)外徑為4 mm;2號(hào)類型圓環(huán)外徑為3.35 mm;3號(hào)類型圓環(huán)外徑為3.4 mm;4號(hào)類型圓環(huán)外徑為3.38 mm;5號(hào)類型圓環(huán)外徑為3.3 mm;6號(hào)類型圓環(huán)外徑為3.25 mm;7號(hào)類型圓環(huán)外徑為3.2 mm;8號(hào)類型圓環(huán)外徑為3.15 mm;所有圓環(huán)內(nèi)徑為1.2 mm，各種不同類型圓片均按照對(duì)角規(guī)則排列，同一類型圓片的周期間距為 20mm，其結(jié)構(gòu)單元如圖1所示。

圖1 吸收器單元結(jié)構(gòu)示意圖

采用電路板刻蝕技術(shù)制作了仿真設(shè)計(jì)的樣品，為了減少外界環(huán)境對(duì)吸收性能測試結(jié)果的影響，測試在微波暗室中進(jìn)行。利用架設(shè)一對(duì)X波段的標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭作為微波的發(fā)射天線和接收天線，通過連接線分別連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3629的發(fā)射端口和接收端口，對(duì)垂直放置在轉(zhuǎn)臺(tái)工作臺(tái)中心上的樣品的進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)測試的吸收結(jié)果如圖2所示。

圖2 吸收器吸收效果仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖中實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知，頻率范圍在10.33 GHz～11.24 GHz范圍內(nèi)均能達(dá)到80%以上的吸收率，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果和模擬仿真結(jié)果曲線形狀大致相同，但是存在一些差距，其原因可能是由于介質(zhì)基板的不均勻和加工時(shí)產(chǎn)生的尺寸誤差造成。

2 傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線設(shè)計(jì)

按設(shè)計(jì)矩形微帶天線的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，通過改變輻射貼片的尺寸將天線的工作中心頻率設(shè)計(jì)在10.3 GHz，在主貼片四周加上寄生貼片使微帶天線的工作頻帶拓寬。通過仿真優(yōu)化，天線主輻射貼片的尺寸為7.8 mm×9.7 mm;四個(gè)寄生貼片的尺寸均為7.8 mm×2.3 mm，寄生貼片與中心主輻射貼片之間的距離為4 mm;金屬接地板和基板的尺寸均為120 mm×120 mm，采用背部同軸線方式饋電，饋電點(diǎn)位于貼片中心正下方2.3 mm處，實(shí)現(xiàn)了天線的最佳阻抗匹配。天線的基板選用的厚度為1.5 mm的聚四氟乙烯纖維板，其相對(duì)介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.001，厚度為1.5 mm;金屬貼片和金屬接地板的材料采用銅，厚度為0.035 mm。模擬加寬頻帶微帶天線-10 dB以下的有效工作頻帶寬度為9.884 GHz～11.096 GHz。

圖3 傳統(tǒng)微帶天線回波損耗仿真結(jié)果

3 基于超材料吸收器的微帶天線設(shè)計(jì)

3.1 超材料吸收器微帶天線的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線的基礎(chǔ)上，我們將寬頻帶超材料吸收器應(yīng)用在傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線上，采用電路板刻蝕技術(shù)制作了超材料吸收器和微帶天線，將吸收單元鑲嵌在天線四周，使吸收器和天線在有貼片方向上處于一個(gè)平面，整個(gè)組合大小為120 mm×120 mm。

圖4 加載超材料吸收器微帶天線示意圖

在微波暗室中測試了傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線和基于超材料吸收器的回波損耗，微帶天線-10 dB以下的有效工作頻帶寬度為9.88 GHz～11.21 GHz。對(duì)于加載吸收器的微帶天線，其回波損耗和未加載吸收器的微帶天線基本保持一致，可以看出，加載吸收器對(duì)微帶天線的回波損耗沒有影響。

圖5 微帶天線回波損耗實(shí)驗(yàn)測試值

3.2 方向圖和增益

在微波暗室中分別測試了傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線和基于超材料吸收器微帶天線的輻射方向圖和增益。圖6是微帶天線工作頻帶內(nèi)選取的三個(gè)頻點(diǎn)(10.2 GHz、10.6 GHz、11.0 GHz)處的方向圖實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

圖6 微帶天線方向圖實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

方向圖半功率波束寬度對(duì)比見表1，可以看出，在微帶天線的工作頻帶內(nèi)，加載吸收器對(duì)微帶天線的輻射方向性有較小的影響。

表1 微帶天線半功率波束寬度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

同時(shí)，在微波暗室中測試了超材料吸收器對(duì)微帶天線增益的影響，如圖7所示，在微帶天線工作頻段內(nèi)，10.6 GHz以下的頻率范圍內(nèi)加載超材料吸收器有益于增益的提高，在10.6 GHz以上的頻率范圍內(nèi)加載超材料吸收器會(huì)影響微帶天線的增益。

圖7 微帶天線增益實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

綜合以上數(shù)據(jù)分析得知，加載超材料吸收器在微帶天線的工作頻帶內(nèi)對(duì)微帶天線的性能沒有較大的影響，加載超材料吸收器的微帶天線依然能夠正常工作。

3.3 微帶天線單站RCS

對(duì)于加載超材料吸收器的微帶天線，我們進(jìn)一步測試其RCS特性，通過在微波暗室中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)金屬球的定標(biāo)，將放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上的樣品進(jìn)行測試［18-20］，測試使用AV3629高性能微波一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8a)可知，在微帶天線的工作頻帶內(nèi)，微帶天線的RCS在正面有了明顯的縮減，在10.6 GHz附近縮減最大，正面0°方向RCS縮減量達(dá)到了-15.8 dB，其余頻帶也有明顯的縮減。根據(jù)圖8b)結(jié)果顯示，當(dāng)處于微帶天線的工作頻帶外時(shí)，加載超材料吸收器的微帶天線RCS值和傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線RCS值一致。這充分說明加載超材料吸收器能有效降低微帶天線在工作頻帶內(nèi)的RCS值。

圖8 微帶天線RCS實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)制作了一種工作頻帶為9.88 GHz～11.21 GHz的傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線和一種吸收頻帶為10.33 GHz～11.24 GHz的圓環(huán)超材料吸收器，將圓環(huán)超材料吸收器加載在傳統(tǒng)微帶天線上制作成一種基于超材料吸收器的寬頻帶微帶天線，實(shí)驗(yàn)測試對(duì)比了傳統(tǒng)微帶天線和基于超材料吸收器的寬頻帶微帶天線的回波損耗、方向圖、增益以及雷達(dá)散射截面，發(fā)現(xiàn)將寬頻帶超材料吸收器加載在微帶天線上，對(duì)微帶天線工作頻段范圍內(nèi)的回波損耗、方向圖、增益沒有明顯的影響，而RCS在微帶天線工作頻段范圍內(nèi)有較大的縮減，最大縮減在10.6 GHz正面0°方向達(dá)到了-15.8 dB，在微帶天線的工作頻帶內(nèi)其他頻點(diǎn)也有明顯的縮減效果。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，在使微帶天線正常工作的情況下，通過加載超材料吸收器的方法可以有效降低微帶天線在工作頻帶內(nèi)的RCS值。

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