基于超構(gòu)表面的低散射天線陣列

朱 瑛, 段 坤， 楊維旭， 羅歆瑤， 趙俊明， 陳 克， 馮一軍

(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京，210023)

天線作為無(wú)線電設(shè)備中信號(hào)收發(fā)的關(guān)鍵器件，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。為了提升裝備之間的通信質(zhì)量，通常要求其滿足高增益、低副瓣等更為優(yōu)越的輻射性能。但是，天線也是一個(gè)較強(qiáng)的散射體，若不經(jīng)過(guò)低散射設(shè)計(jì)，會(huì)提高裝備被敵方探測(cè)和打擊的風(fēng)險(xiǎn)，降低其在戰(zhàn)場(chǎng)中的生存幾率[1]。因此，研究如何在保證天線較好輻射性能的同時(shí)減小天線的雷達(dá)散射截面(radar cross section, RCS)，有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外研究人員為了縮減天線RCS，進(jìn)行了大量研究。根據(jù)天線在工作時(shí)電流分布與輻射的不均勻性，通過(guò)調(diào)整幾何形狀重新定向散射波的方法可使后向散射最小化，如將天線設(shè)計(jì)為昆蟲(chóng)觸手的形狀[2]。但是這種方式設(shè)計(jì)制備難度大，耗資多，且天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，應(yīng)用效果并不十分理想。另有研究人員將吸波結(jié)構(gòu)放置于天線背板或設(shè)計(jì)頻率選擇性吸波結(jié)構(gòu)，使入射波的電磁能量以熱能的方式耗散，從而降低天線的RCS[3-4]。這種方法設(shè)計(jì)的RCS縮減方案帶寬較寬、覆蓋頻段范圍較廣，但結(jié)構(gòu)整體尺寸較厚，并有可能導(dǎo)致天線輻射能量損失。

近年來(lái)，超構(gòu)表面(metasurface, MS)因其特異的電磁特性而廣受關(guān)注，它由若干個(gè)亞波長(zhǎng)單元排布在一個(gè)表面上構(gòu)成[5-10]。通過(guò)設(shè)計(jì)其空間分布特性進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)一系列新穎的電磁調(diào)控功能，如渦旋波生成器[11]、隱身斗篷[12]等。當(dāng)超構(gòu)表面單元之間具有一定的反射相位差時(shí)，根據(jù)相位相消原理，散射波無(wú)法有效疊加，從而可以降低超表面在特定方向的RCS[13-14]。2017年有研究人員通過(guò)將2個(gè)像素化的單元進(jìn)行棋盤格排布，最終可在相對(duì)帶寬為95%的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)10 dB RCS縮減[15]。此外，有研究結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化算法，將2個(gè)相位差在180°±37°的超構(gòu)表面單元隨機(jī)排列，超構(gòu)表面可以在15.5～26.5 GHz和30.5～40.5 GHz的工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)10 dB散射縮減[16]。近年來(lái)，利用超構(gòu)表面縮減天線RCS的研究已經(jīng)取得了較好的進(jìn)展，且超構(gòu)表面在加工成本以及低剖面等方面更具優(yōu)勢(shì)，但關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)更寬帶、更寬角域的RCS縮減仍然需要進(jìn)一步的研究與探索。

本文針對(duì)高增益的微帶天線陣列設(shè)計(jì)及其RCS縮減技術(shù)進(jìn)行了研究。首先設(shè)計(jì)了工作于X波段的4 × 4貼片天線陣列。為了降低該天線的RCS，設(shè)計(jì)了一種具有極化選擇特性的透反一體超構(gòu)表面，并將其與天線陣列組合工作。加載超構(gòu)表面后，天線陣列原有的輻射性能基本不受影響。同時(shí)，該天線陣列的背向RCS也得到抑制，尤其是對(duì)y極化探測(cè)波而言，幾乎可以在整個(gè)X波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)10 dB的RCS縮減。

1 天線陣列設(shè)計(jì)與仿真分析

微帶貼片天線由一塊厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的介質(zhì)基板一面刻蝕金屬輻射貼片、另一面為全金屬地面組成。經(jīng)過(guò)饋電，輻射貼片和接地面之間會(huì)激勵(lì)出電磁場(chǎng)，通過(guò)貼片周圍與接地面間的縫隙進(jìn)行輻射。由于其具有低剖面、易共形、易集成等優(yōu)點(diǎn)，微帶天線已經(jīng)被大量應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感檢測(cè)和個(gè)人無(wú)線設(shè)備等。

本文設(shè)計(jì)的微帶天線陣列基本輻射單元為經(jīng)典的矩形貼息微帶天線，貼片長(zhǎng)度L與寬度W可根據(jù)經(jīng)典公式得到[17]。為了降低饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，對(duì)微帶貼息單元采用底部饋電的方式。

天線單元采用介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.002的F4B材料作為介質(zhì)基板，設(shè)計(jì)的中心工作頻率為10 GHz，根據(jù)微帶天線工作原理，結(jié)合CST Microwave Studio軟件的仿真分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最終貼片單元結(jié)構(gòu)以及參數(shù)如圖1所示，其中L=8.74 mm，W=11.86 mm，Xf=2.5 mm，h1=2 mm，h2=0.5 mm，d1=0.4 mm，d2=1.38 mm。

圖1 貼片單元結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計(jì)的微帶天線陣列，每個(gè)單元采用等幅同相激勵(lì)，以此在法向獲得最大方向性系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)等幅同相饋電，設(shè)計(jì)了一個(gè)4×4并聯(lián)功分饋電網(wǎng)絡(luò)，同樣選擇F4B作為介質(zhì)基板，厚度h2=0.5 mm。利用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換線和威爾金森功分器的基本原理，調(diào)節(jié)各個(gè)饋線的特性阻抗，使饋電點(diǎn)和總輸入端口位置的阻抗為50 Ω，饋電網(wǎng)絡(luò)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

將貼片單元按照24 mm的間距組合成4×4的微帶天線陣列。饋電網(wǎng)絡(luò)放置于地板的下層，通過(guò)金屬過(guò)孔與輻射貼片相連。這種設(shè)計(jì)方法可以減小饋線的串?dāng)_對(duì)輻射效率的影響，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)與天線的分模塊設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，單元的排布方式也有更高的自由度。

天線陣的反射系數(shù)以及增益-頻率曲線的仿真結(jié)果如圖3所示，在9.15～10.3 GHz的范圍內(nèi)，陣列的輸入端口反射系數(shù)保持在-10 dB以下，相對(duì)帶寬約為11.8%，且在此頻段內(nèi)天線的增益保持在17 dB以上，3 dB增益帶寬為15.2%(9～10.48 GHz)。圖4為陣列在10 GHz處的歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，副瓣電平與交叉極化都維持在比較低的水平。綜上可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的天線陣工作帶寬較寬且輻射性能良好。

圖3 天線陣列同軸輸入端口反射系數(shù)及增益曲線

圖4 天線陣列歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

2 超構(gòu)表面設(shè)計(jì)

為了在降低天線RCS的同時(shí)盡量不破壞其輻射性能，本文設(shè)計(jì)了一種基于極化選擇原理的透反射功能一體化超構(gòu)表面，即對(duì)x極化入射波具有高透射功能，且各超構(gòu)表面單元的透射相位差近似為0，保證天線較高的輻射效率。與此同時(shí)，對(duì)y極化入射波而言，超構(gòu)表面單元的反射率較高，不同單元之間的反射相位差在180°左右，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的單元排布，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)y極化波的漫散射功能，從而降低背向散射能量強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)天線陣列的RCS縮減。

2.1 超構(gòu)表面單元設(shè)計(jì)與仿真分析

與相同大小的金屬板相比，低散射結(jié)構(gòu)表面RCS的縮減值可以由下式計(jì)算得到[18]：

RCS=20log|sA1ejP1+(1-s)A2ejP2|

(1)

式中：s表示單元1在超構(gòu)表面上的占比；A表示反射幅度；P表示反射相位；下標(biāo)1、2分別對(duì)應(yīng)兩種單元。假設(shè)2種單元的反射相位都等于1，通過(guò)式(1)可分析得，實(shí)現(xiàn)10 dB RCS縮減的前提是2個(gè)單元的反射相位差介于143°～217°之間。因此，為了實(shí)現(xiàn)最佳的RCS縮減效果，超構(gòu)表面中的2種單元數(shù)量需保持相等。

根據(jù)上述分析，研究并設(shè)計(jì)了超構(gòu)表面單元，該單元由3層金屬與2層厚度相同的介質(zhì)板構(gòu)成，如圖5所示。介質(zhì)選用相對(duì)介電常數(shù)為4.3，損耗角正切為0.03的FR4，每個(gè)單元①、②層貼片的尺寸相同，多層設(shè)計(jì)有助于拓展工作帶寬。通過(guò)調(diào)節(jié)上2層貼片的長(zhǎng)度ly，可對(duì)y極化入射電磁波實(shí)現(xiàn)不同的反射相位響應(yīng)。第③層在x方向與前2層相等，y方向與單元周期相等。該層被設(shè)計(jì)為極化柵結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)極化選擇性透反功能。最終，通過(guò)改變y方向上貼片的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)y極化波的反射相位調(diào)控。單元的具體參數(shù)如表1所示。

圖5 超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)示意圖

表1 超構(gòu)表面單元尺寸參數(shù) 單位：mm

圖6為2個(gè)單元對(duì)不同極化入射波的電磁響應(yīng)。當(dāng)x極化電磁波垂直入射到單元表面時(shí)，在天線的工作頻帶內(nèi)，單元的透射率絕大部分保持在-2 dB以上，且相位相差不大；對(duì)于y極化的入射波，在10 GHz附近，單元的反射率保持在-1 dB之上，且在7.4～12.1 GHz內(nèi)反射相位差可以保持在180°±37°范圍內(nèi)，滿足RCS縮減10 dB的條件。

圖6 超構(gòu)表面單元的寬帶電磁響應(yīng)

2.2 超構(gòu)表面陣列仿真分析

為實(shí)現(xiàn)背向散射縮減的功能，這里將上述單元排列成2種結(jié)構(gòu)：8 × 8的超單元組成棋盤格分布和4 × 4的超單元組成隨機(jī)分布。當(dāng)y極化探測(cè)波垂直入射到表面時(shí)，棋盤格分布會(huì)將入射波分裂成4個(gè)波束進(jìn)行反射，而隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)由于其單元的非周期性排布，會(huì)發(fā)生不規(guī)則的反射，如圖7所示。這種棋盤格或隨機(jī)分布的方式，可以將y極化入射波“打散”，隨機(jī)分布于非背向位置，從而減小背向散射能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)背向RCS的縮減。

圖7 超構(gòu)表面歸一化散射方向圖

當(dāng)探測(cè)信號(hào)為x極化時(shí)，在10 GHz左右，絕大部分的入射能量都能透射過(guò)超構(gòu)表面，并且能夠覆蓋上節(jié)設(shè)計(jì)的天線的工作帶寬。將超構(gòu)表面與天線組合后，當(dāng)天線不工作時(shí)，即端口處接匹配負(fù)載時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)在天線工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)RCS的縮減。

如圖8所示，相比于相同大小的金屬板，y極化入射波的10 dB縮減帶寬約為45.5%，與單元反射相位差在143°～217°的帶寬基本一致；對(duì)x極化波，由于能量透射，背向散射強(qiáng)度也得到了降低。這2種相位分布下的超構(gòu)表面的工作帶寬和RCS縮減強(qiáng)度略有偏差，主要是由于仿真分析單元時(shí)使用的是周期邊界條件，而構(gòu)成超構(gòu)表面的單元實(shí)際上是非周期分布的，因此不同的排布方式可能導(dǎo)致單元之間的耦合不同，而這些相互耦合作用會(huì)對(duì)單元的性能有所影響。

圖8 超構(gòu)表面的歸一化RCS曲線圖

3 低散射天線陣列性能驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

將上述2個(gè)超構(gòu)表面以12 mm的間距與天線陣列組合，通過(guò)CST仿真驗(yàn)證整個(gè)低散射天線陣列的性能。圖9(a)為加載超構(gòu)表面前后的S11以及增益曲線對(duì)比圖，將超構(gòu)表面放置于天線陣列上方合適的位置，超構(gòu)表面與天線陣列之間會(huì)有一定的耦合作用，有助于天線陣列的匹配調(diào)諧，使得低散射天線陣列的帶寬會(huì)向低頻略有擴(kuò)展，且?guī)?nèi)平坦度變好，最終在9～10.2 GHz和9.2～10.1 GHz的頻帶內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)S11分別小于-10 dB與-15 dB。由于低散射天線陣列阻抗帶寬變寬，相比未加載超構(gòu)表面的微帶陣列天線，3 dB增益帶寬也有一定的拓展，可以達(dá)到17%。結(jié)合3種結(jié)構(gòu)在10 GHz處的E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖(圖9(b))可知，加載超構(gòu)表面對(duì)于天線的增益、帶寬以及方向圖無(wú)不良影響，且有一定的改善作用，與該研究的設(shè)計(jì)初衷相符。

圖9 低散射天線陣列的性能曲線

相比于未加載超構(gòu)表面的天線陣列，低散射天線陣列的歸一化RCS值如圖10所示，可見(jiàn)所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面對(duì)x、y極化探測(cè)波的散射均有一定程度的抑制。對(duì)于x極化波，可以在約6%的相對(duì)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)10 dB RCS縮減；對(duì)于y極化波，由于超構(gòu)表面的漫散射作用，背向散射能量低，RCS的縮減效果也更為明顯，10 dB RCS縮減頻帶約為7.8～12.1 GHz，覆蓋了整個(gè)X波段。

圖10 低散射天線陣列歸一化RCS曲線

表2所示為本文工作與文獻(xiàn)[19～22]的對(duì)比，本文所設(shè)計(jì)低散射天線陣列的輻射性能和RCS縮減帶寬均有一定優(yōu)勢(shì)。

表2 本文與其他文獻(xiàn)工作對(duì)比

3.2 加工與測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的設(shè)計(jì)方法以及上述結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，對(duì)設(shè)計(jì)的天線陣及超構(gòu)表面進(jìn)行樣品加工與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，樣品如圖11所示，其中，從左至右依次為微帶貼片天線陳列、棋盤格超構(gòu)表面，隨機(jī)分布超構(gòu)表面。測(cè)試環(huán)境如圖12所示，樣品加工使用標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板工藝制作。天線的性能測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)微波暗室中進(jìn)行，并且利用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線來(lái)校準(zhǔn)待測(cè)樣件的實(shí)際增益。RCS的測(cè)量采用2個(gè)寬帶喇叭天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E8363A)。喇叭天線對(duì)稱地放置在樣品法線的兩側(cè)，分別充當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)。首先測(cè)量與樣品尺寸相同金屬板的RCS，并將其作為基準(zhǔn)，繼而對(duì)低散射天線陣列的歸一化RCS進(jìn)行測(cè)試。由于對(duì)樣品而言，入射角為5°時(shí)的散射性能與垂直入射時(shí)差別較小，受測(cè)量條件的限制，下列RCS的測(cè)試均將5°斜入射看作垂直入射。

圖11 天線陣列及超構(gòu)表面樣品

圖12 測(cè)試環(huán)境

整個(gè)結(jié)構(gòu)的輻射性能與散射性能測(cè)試結(jié)果如圖13所示。圖13(a)為加載超構(gòu)表面前后的S11測(cè)試結(jié)果，反射系數(shù)小于-10 dB的頻帶范圍約為9～10.55 GHz。由于加工組裝誤差以及介質(zhì)材料參數(shù)偏差等因素的影響，實(shí)測(cè)工作頻帶向高頻偏移了300 MHz左右，但總體來(lái)說(shuō)與仿真結(jié)果吻合良好。圖13(b)和(c)分別為在微波暗室中測(cè)得的E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖與增益曲線。加載棋盤格分布超構(gòu)表面與隨機(jī)分布超構(gòu)表面的天線陣列最大增益接近19 dB，3 dB增益帶寬約為17%，與仿真結(jié)果基本一致。圖13(d)和(e)為相較于天線陣列，引入超構(gòu)表面后的歸一化RCS曲線，具有這2種相位分布的超構(gòu)表面均可在一定的頻帶寬度內(nèi)降低散射，且由于漫散射作用，對(duì)y極化探測(cè)波效果更為明顯。由于加工與測(cè)試誤差，實(shí)測(cè)結(jié)果較仿真結(jié)果向低頻略有偏移，高頻處的衰減稍有減小，但整體趨勢(shì)與仿真基本相符。

圖13 低散射天線陣列性能實(shí)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了由微帶天線陣列與超構(gòu)表面組合而成的低散射天線陣列。為了降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減小饋線之間的串?dāng)_及寄生輻射等因素對(duì)天線性能的影響，將天線的輻射貼片與饋電網(wǎng)絡(luò)分別設(shè)計(jì)在兩層介質(zhì)基板上。所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面具有極化選擇特性，對(duì)天線工作極化(x極化)的電磁波具有高透射功能，保證了天線的輻射性能；對(duì)y極化波，通過(guò)單元的特定排布，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射波的漫散射作用，降低其背向RCS。經(jīng)仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的低散射天線陣列輻射性能良好，可以實(shí)現(xiàn)9～10.2 GHz的工作帶寬，最大增益可達(dá)18.8 dB。在X波段內(nèi)天線的背向散射得到了縮減，對(duì)y極化探測(cè)波效果更為明顯，平均衰減值可達(dá)10 dB以上。該方法有望進(jìn)一步應(yīng)用于其他天線的散射縮減中。