基于可重構(gòu)頻率選擇表面的天線RCS減縮研究

王夫蔚 任宇輝 高寶建

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基于可重構(gòu)頻率選擇表面的天線RCS減縮研究

王夫蔚*任宇輝 高寶建

(西北大學信息科學與技術(shù)學院 西安 710127)

天線；雷達截面；可重構(gòu)；頻率選擇表面

1 引言

2 可重構(gòu)頻率選擇表面結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計

目前電磁學領(lǐng)域一般使用電磁仿真軟件完成FSS的設(shè)計過程。在設(shè)計之前，首先需要對可重構(gòu)頻率選擇表面的傳輸系數(shù)特性也就是S參數(shù)進行分析，包括介質(zhì)介電常數(shù)，寄生單元長度，寄生單元寬度3個參數(shù)。本文的所有仿真結(jié)果均使用Ansys公司的HFSS 13進行。圖1所示為可重構(gòu)頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)示意圖，F(xiàn)SS的基本參數(shù)已在圖中標示(單位：mm)。需要說明的是：在所有的天線設(shè)計以及超材料設(shè)計中，討論的均為單一參數(shù)對于電磁特性的影響，不存在一個參數(shù)對傳輸系數(shù)的影響時，其它參數(shù)也要相應變化的情況。因此，在分析某一個參數(shù)對傳輸系數(shù)的影響時，其它參數(shù)均保持不變。

從圖2可以看出，隨著介電常數(shù)的減小，二極管斷開狀態(tài)下的FSS結(jié)構(gòu)阻帶中心頻率明顯增加，帶寬變化不大；二極管導通狀態(tài)下的FSS結(jié)構(gòu)，通帶中心頻率升高，帶寬增加。同時，隨著介質(zhì)介電常數(shù)的減小，兩種情況下FSS結(jié)構(gòu)的中心頻率基本保持在同一頻點，并未發(fā)生太大的偏移。

(2)寄生單元長度對可重構(gòu)FSS的影響： FSS單元的四角分別有4個寄生單元，寄生單元的尺寸參數(shù)直接影響了FSS結(jié)構(gòu)的等效電容，即對整個FSS結(jié)構(gòu)的傳輸特性會產(chǎn)生影響，有必要先對寄生單元的長度對可重構(gòu)FSS傳輸特性的影響進行分析。分別選取寄生單元長度為6.0 mm, 6.8 mm, 7.3 mm，得到其對可重構(gòu)FSS傳輸特性的影響，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖1 可重構(gòu)頻率選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 介電常數(shù)對FSS傳輸特性的影響

由圖3可以看出，隨著寄生單元長度的增加，二極管斷開狀態(tài)下的FSS結(jié)構(gòu)阻帶中心頻率保持不變，帶寬略微變大，阻帶外的通帶中心頻率減小明顯，并且?guī)捪陆?。二極管導通狀態(tài)下，隨著寄生單元長度的增加，通帶中心頻率明顯降低，帶寬也隨之減小。

(3)寄生單元寬度對可重構(gòu)FSS的影響： 接下來對寄生單元的寬度對可重構(gòu)FSS傳輸特性的影響進行分析。分別取寄生單元寬度分別為1.0 mm, 1.1 mm, 1.2 mm，得到寄生單元的寬度對可重構(gòu)FSS傳輸特性的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，其變化規(guī)律與改變寄生單元長度時類似，隨著寬度的變大，在二極管斷開狀態(tài)下的FSS結(jié)構(gòu)中心頻率以及帶寬均未發(fā)生明顯改變。二極管導通狀態(tài)下，中心頻率有小幅降低。

這就表明，在二極管斷開時，F(xiàn)SS表現(xiàn)為典型的空間帶阻濾波器特性，當入射波頻率處于FSS的阻帶頻率時，電磁波照射至FSS大部分沿入射路徑返回，而小部分電磁波透射，而處于阻帶頻率之外的電磁波則與之相反。在二極管導通時，F(xiàn)SS表現(xiàn)為典型的空間帶通濾波器特性，當入射波頻率處于FSS的通帶頻率時，電磁波照射至FSS小部分沿入射路徑返回，而大部分電磁波透射，處于通帶頻率之外的電磁波則與之相反。

3 可重構(gòu)頻率選擇表面在天線RCS減縮中的應用

可重構(gòu)頻率選擇表面的實驗應用方案一般采用為反射板置換以及天線罩模式。下面以反射板置換應用模式介紹其在天線RCS減縮中的應用技術(shù)。圖6所示為可重構(gòu)頻率選擇表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖7所示為可重構(gòu)頻率選擇表面用于天線反射板的示意圖，將可重構(gòu)頻率選擇表面置換一般的金屬板作為天線的反射板。當二極管處于截斷狀態(tài)時，可重構(gòu)FSS反射板在工作頻段內(nèi)具有帶阻特性，而在此頻段之外呈現(xiàn)明顯的通帶特性，在天線的輻射特性保留的同時實現(xiàn)天線帶外RCS減縮。而當二極管電阻為零即二極管導通時，此時，可重構(gòu)FSS反射板在包含中心頻率在內(nèi)的較寬的頻帶范圍內(nèi)，具有明顯的帶通特性，此時該頻段電磁波可以直接透射過該FSS，即可最大程度降低天線的帶內(nèi)RCS。同時，本文提出一種統(tǒng)一加載偏置電壓的方式，使得可重構(gòu)FSS的偏置電壓控制大大簡化。綜上所述，本文考慮對應天線的不同狀態(tài)，通過對二極管的控制使得頻率選擇表面反射板實現(xiàn)濾波特性動態(tài)可重構(gòu)，并通過置換金屬反射板降低天線系統(tǒng)的RCS同時實現(xiàn)RCS減縮頻段的可重構(gòu)。

圖3 寄生單元長度對FSS傳輸特性的影響

圖4 寄生單元寬度對FSS傳輸特性的影響

圖5 可重構(gòu)頻率選擇表面S參數(shù)示意圖

為了說明該方案的有效性，針對之前給出的可重構(gòu)FSS結(jié)構(gòu)，通過使用可重構(gòu)FSS置換金屬反射板的方法，對置換前后天線的輻射散射特性進行分析。首先，當天線處于工作狀態(tài)時，分別對天線使用普通金屬反射板以及本文所提出的可重構(gòu)頻率選擇表面反射板進行了仿真及實測驗證。仿真及實測11如圖8所示，方向圖如圖9所示?？梢钥闯霎斕炀€處于工作狀態(tài)時，二極管截斷，天線的11特性以及輻射方向圖與金屬反射板相比基本吻合。天線增益比原始天線增益減小不到0.3 dB。因此，在天線的工作頻帶內(nèi)，處于二極管截斷狀態(tài)下使用可重構(gòu)FSS反射板能夠最大限度的保證天線的輻射性能。

圖6 可重構(gòu)頻率選擇表面反射板結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 可重構(gòu)頻率選擇表面反射板的應用示意圖

圖8 天線S11比對曲線

圖9 天線輻射方向圖仿真與實測比對曲線(3.75 GHz)

圖10 單站RCS變化曲線

圖11 天線單站RCS隨入射波角度變化比對曲線圖

從天線的RCS曲線可以進一步論證可重構(gòu)FSS反射板的物理現(xiàn)象。即當可重構(gòu)FSS反射板處于二極管截斷時，由反射板正上方垂直入射處于天線工作頻段內(nèi)的電磁波基本沿原路徑返回，只有極小部分透射。處于天線工作頻段外的電磁波與之相反。此時天線的帶內(nèi)RCS基本不變，而帶外RCS明顯下降。而當可重構(gòu)FSS反射板處于二極管導通時由反射板正上方垂直入射處于天線工作頻段內(nèi)的電磁波基本透射，只有部分沿原路返回，此時天線的帶內(nèi)RCS明顯下降。

圖12 天線雙站RCS隨入射波角度變化比對曲線圖

4 結(jié)束語

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王夫蔚： 男，1987年生，講師，研究方向為天線設(shè)計、電磁散射、天線RCS減縮、超材料等.

任宇輝： 男，1980年生，講師，研究方向為天線設(shè)計、超材料、陣列天線等.

高寶建： 男，1963年生，副教授，研究方向為現(xiàn)代通信理論等.

Research on Antenna Radar Cross Section Reduction Based onReconfigurable Frequency Selective Surface

WANG Fuwei REN Yuhui GAO Baojian

(,,710127,)

Antenna; Radar Cross Section (RCS); Reconfigurable; Frequency Selective Surface (FSS)

TN82

A

1009-5896(2017)12-2983-07

10.11999/JEIT170136

2017-02-21；

2017-09-05；

2017-11-01

通信作者：王夫蔚 wfwraul@163.com

國家自然科學基金(61501372)

The National Natural Science Foundation of China (61501372)