基于單層超表面的電大尺寸天線陣RCS減縮仿真分析

陳 強(qiáng)，鄭月軍，袁 方，丁 亮，郭田田，付云起

(1． 國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.國防科技大學(xué) 新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410073)

0 引言

隨著隱身技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，隱身平臺(tái)上天線及天線陣成為RCS的主要貢獻(xiàn)源，其隱身設(shè)計(jì)對于整體隱身性能至關(guān)重要[1-2]。但是雷達(dá)天線作為信息交互的最前端，必須保證天線能正常收發(fā)電磁波，不能直接應(yīng)用外形隱身設(shè)計(jì)或者涂敷雷達(dá)吸波材料等方法來實(shí)現(xiàn)其隱身設(shè)計(jì)。

近年來，電磁超材料和超表面因其對電磁波在不同頻帶的回波幅度和相位具有超常調(diào)控能力，越來越多地應(yīng)用在天線及其陣列隱身設(shè)計(jì)中[3-5]。從能量是否被消耗角度來看，天線隱身技術(shù)主要包括2大類：一類是在天線單元同層[6-8]或者覆層[9-10]加載超材料吸波體，在所需頻帶通過將能量吸收來降低天線(陣)的RCS；另一種是在天線單元同層[11-14]或者覆層[15-17]加載相位超表面，相鄰超表面單元或者超表面單元與天線之間形成反相相位對消，降低天線的RCS。

本文提出了一種基于單層透波阻抗超表面[18]的電大尺寸天線陣RCS減縮方法，超表面陣列作為覆層置于天線陣上方，在垂直極化10 GHz處產(chǎn)生透波窗口保證天線正常工作，而在其他頻點(diǎn)和極化條件下作為有耗阻抗表面，以天線陣列作為接地面實(shí)現(xiàn)寬帶吸波RCS減縮。采用國產(chǎn)電磁仿真軟件EastWave對“電大尺寸+精細(xì)結(jié)構(gòu)”的“天線陣+超表面陣列”進(jìn)行全波仿真分析，評估超表面陣列對電大尺寸天線陣的輻射性能及RCS減縮的影響。

1 透波型阻抗超表面單元及天線陣設(shè)計(jì)

提出的透波型阻抗超表面(Transparent Resistive Metasurface，TRM)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一個(gè)各向異性的金屬方環(huán)單元結(jié)構(gòu)。單元在垂直和水平方向的周期均為13.5 mm，在2條垂直邊中間各加載一個(gè)交指諧振結(jié)構(gòu)，交指諧振結(jié)構(gòu)為交指電容結(jié)構(gòu)中的一“指”的連通起到電感作用，交指諧振結(jié)構(gòu)整體尺寸為1.9 mm×1.7 mm，諧振結(jié)構(gòu)兩側(cè)為2個(gè)180 Ω的集總電阻，在2條水平邊中間各加載一個(gè)300 Ω的集總電阻。圖1(b)和圖1(c)分別為單層TRM和距離6 mm金屬地情況下不同極化的S參數(shù)。在垂直極化條件下，TRM層在交指諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率(10 GHz)處透波，透波插損為0.2 dB，而在其他頻帶和水平極化下主要體現(xiàn)損耗特性，與金屬地一起組成吸波體結(jié)構(gòu)。

(a) TRM單元結(jié)構(gòu)

為評估單層TRM對電大尺寸天線陣的輻射/散射性能影響，采用國產(chǎn)電磁仿真軟件EastWave設(shè)計(jì)了300 mm×300 mm的電大尺寸天線陣，采用串并結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，把8個(gè)串聯(lián)饋電的行波陣并在一起，串饋天線陣末端加載匹配電阻，在前面由一個(gè)1分8功分網(wǎng)絡(luò)連接。介質(zhì)板厚度0.8 mm，采用Rogers RT5880，介電常數(shù)2.2。串饋陣及不同頻點(diǎn)方向圖如圖2(a)和圖2(b)所示。串饋陣貼片間距為19.5 mm，改變各貼片寬度可以實(shí)現(xiàn)特定激勵(lì)分布，本文的串饋天線陣為非均勻分布，以實(shí)現(xiàn)在透波頻點(diǎn)(10 GHz)的法向出射的方向圖，在其他頻點(diǎn)主波束方向會(huì)偏離法向。全尺寸天線陣模型如圖2(c)所示。

(a) 串饋天線陣

2 超表面陣列對天線陣輻射性能的影響

如圖1所示，在垂直極化平面波照射時(shí)TRM層在10 GHz透波，可以作為天線陣的透波頻選罩，放置在天線正上方。然而天線陣上方很近區(qū)域仍屬于近場輻射區(qū)，在平面波條件下透波的TRM層置于天線陣的近場輻射區(qū)時(shí)對天線性能的影響仍需進(jìn)一步分析。設(shè)計(jì)了電大尺寸頻選罩，外圍尺寸300 mm×300 mm，包含22×22個(gè)TRM單元，與圖2(c)所示全尺寸天線陣組合成“電大尺寸+精細(xì)結(jié)構(gòu)”的“天線陣+超表面陣列”復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖3所示。TRM頻選罩與天線陣距離取6 mm，整體剖面厚度6.8 mm。

圖3 “天線陣+TRM超表面陣列”復(fù)合結(jié)構(gòu)模型

在EastWave中對天線陣進(jìn)行激勵(lì)，并采用全波仿真計(jì)算了天線陣的輻射性能，對比了10 GHz處有無加全尺寸TRM頻選罩的天線陣的phi=0°面和phi=90°面的方向圖，如圖4所示。

(a) phi=0°面方向圖變化

分析表明，加了全尺寸TRM頻選罩后，天線陣主瓣增益下降了0.95 dB，相比于TRM層在平面波照射下的0.2 dB插損有所增大，主要因?yàn)門RM頻選罩處于天線陣的近場輻射區(qū)，與天線陣間的耦合使增益損耗略微增大，在其他旁瓣和副瓣僅有較小變化。

3 超表面陣列對天線陣的RCS減縮分析

根據(jù)圖1所示，在垂直極化10 GHz以外其他頻帶和水平極化條件下，TRM層是一層有耗阻抗表面層，置于金屬接地面以上合適距離能夠產(chǎn)生寬頻帶吸波。失配情況下的天線陣能夠反射幾乎全部的入射波，因此可以作為接地面與TRM層組成吸波體結(jié)構(gòu)。對于圖3所示的“天線陣+超表面陣列”復(fù)合結(jié)構(gòu)模型，在EastWave中仿真分析了全尺寸TRM頻選罩對天線陣的雙站RCS減縮效果。求解設(shè)置如圖5所示，平面波以角度θ斜入射到“天線陣+全尺寸TRM頻選罩”，遠(yuǎn)場監(jiān)視器在入射方向的鏡像方向。

圖5 EastWave求解“天線陣+TRM頻選罩”復(fù)合結(jié)構(gòu)的雙站RCS示意

全波仿真計(jì)算了不同極化(天線主極化和交叉極化)和不同角度下有無全尺寸TRM頻選罩的天線陣的RCS。TE極化(天線主極化)平面波照射下，有無全尺寸TRM頻選罩的全尺寸天線陣的雙站RCS結(jié)果，如圖6所示。結(jié)果表明，TE極化下，TRM頻選罩能在天線工作頻帶兩側(cè)都實(shí)現(xiàn)RCS減縮，而隨入射角增大，低頻吸波帶寬逐漸變窄，RCS減縮量減小，高頻部分吸波帶寬逐漸變寬，RCS減縮量增加，在TE極化不同角度下，TRM頻選罩都能有效實(shí)現(xiàn)天線陣RCS減縮，在1～18 GHz的平均減縮量為12.8～16 dB，最大RCS減縮量為25.3 dB。

(a) θ=0°

TM極化(天線交叉極化)平面波照射下，加載全尺寸TRM天線罩前后天線陣在不同入射角度下的雙站RCS結(jié)果，如圖7所示。結(jié)果表明，在TM極化不同入射角度下，有耗TRM層均能實(shí)現(xiàn)對全尺寸天線陣的寬帶RCS減縮，平均RCS減縮量為13.1～18.2 dB，最大減縮量為29.2 dB。

(a) θ=0°

4 結(jié)束語

本文介紹了透波阻抗超表面TRM和全尺寸天線罩的設(shè)計(jì)，分析了TRM層作為隱身天線罩對電大尺寸的天線陣的輻射和散射性能的影響，結(jié)果表明，該TRM天線罩雖對天線陣造成小于1 dB的增益損耗，但是對天線陣的同極化帶外頻段和交叉極化全頻段都具有寬帶吸波RCS減縮效果，而“天線陣+TRM天線罩”復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體厚度僅有6.8 mm，是一種低剖面天線隱身技術(shù)方案。