一種寬帶吸波超材料在天線RCS縮減中的應用

耿彥峰，丁夢潔，裴立力，李昊璇，韓麗萍，韓國瑞

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

0 引 言

超材料是一種呈現(xiàn)天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工電磁材料.目前，超材料被廣泛應用于雷達散射截面(RCS)的縮減、能量采集、傳感等方面.2008年，Landy等[1]利用超材料的電磁耦合諧振特性，首次提出了由電諧振器、損耗介質(zhì)和金屬微帶線構成的具有完美吸波特性的吸波超材料.但是，因為吸波超材料僅在特定的波長諧振，所以，它們的帶寬通常較窄.如何有效拓寬吸收帶，已經(jīng)成為吸波超材料的研究熱點.國內(nèi)外學者相繼提出了多種拓寬吸波超材料帶寬的方法.文獻[2]中，吸波超材料由4個箭頭構成的諧振單元周期排列組成，通過分析其單元的諧振模式，設計了一個極化穩(wěn)定的雙頻吸波體和一個小型化的單頻吸波體；文獻[3]中，吸波超材料中使用了VO2材料，在1.08 GHz～2.55 GHz(相對帶寬81%)范圍內(nèi)吸收率能夠達到90%以上；文獻[4]通過在吸波超材料中加載兩組不同的LC諧振器，獲得了分別為3.33 GHz～6.26 GHz和7.09 GHz～10.36 GHz的兩個吸收帶；文獻[5]提出了一種由三維分形樹結構組成的吸波超材料，實現(xiàn)了5.2 GHz～11.9 GHz的寬帶吸波；文獻[6]中所提出的吸波超材料，利用多層電阻式超表面來拓寬吸收頻帶，其吸波率在7.0 GHz～37.4 GHz(相對帶寬為137%)的頻帶范圍內(nèi)均能保持在90%以上.

近年來，由于吸波超材料能夠有效吸收入射電磁波，已逐漸成為降低天線RCS的主要方法之一.Liu 等[7]設計了一款基于樹形分形結構的微帶天線，其RCS僅在10 GHz處獲得15 dB的縮減；文獻[8]中設計了一種單層雙頻帶阻型超表面，加載到雙頻微帶天線周圍后，天線的RCS在7.71 GHz和11.88 GHz處分別縮減了36.99 dB和26.07 dB；文獻[9]提出了一種帶集總電阻的輪狀頻率選擇吸波器，將其作為天線覆層，能夠在 2 GHz～4.41 GHz和5.43 GHz～8 GHz范圍內(nèi)使RCS平均減少9 dB；文獻[10]中，天線通過加載匹配負載，在y極化波垂直入射時，實現(xiàn)了 6.0 GHz～8.5 GHz范圍內(nèi)RCS的縮減；文獻[11]介紹了一種亞波長周期性陣列結構的吸波超材料，使天線的RCS在7.5 GHz～9.5 GHz降低了10 dB以上；文獻[12]中，通過將天線周圍的超表面結構編碼優(yōu)化，能夠使8 GHz～12 GHz的RCS平均減少8.76 dB；文獻[13]中，將基于交指型阻抗諧振器的吸波超表面作為天線覆層，縮減了天線在5 GHz～9.1 GHz和11.4 GHz～16.1 GHz 范圍內(nèi)的RCS，但峰值增益減小0.7 dB；文獻[14]采用四諧振吸收結構作為寬帶偶極子天線的接地層，可在2 GHz～2.7 GH范圍內(nèi)有效縮減天線RCS，在1.66 GHz～2.76 GHz的工作頻率內(nèi)，天線整體增益有明顯的下降趨勢，僅峰值增益可保持在6.8 dBi以上.綜上所述，雖然吸波材料的加載能有效降低天線的RCS，但也會對天線的輻射性能造成一定程度的影響.因此，如何在保障輻射性能的前提下，有效縮減天線帶內(nèi)外RCS仍然是一個有待解決的難題.

針對上述問題，本文設計了一種由圓環(huán)和帶電阻方環(huán)周期排列構成的寬帶吸波超材料.吸波單元由一個帶電阻方環(huán)和位于方環(huán)各頂角周圍的1/4圓弧構成，由10×10單元構成的吸波超材料能夠產(chǎn)生兩個相鄰的吸收峰，在寬帶范圍獲得良好的吸波效果.基于該吸波超材料，本文設計了一種寬帶低RCS的貼片天線，能夠在保障其輻射性能的同時減少天線帶內(nèi)外RCS.

1 吸波超材料

1.1 吸波單元結構

吸波單元具體結構如圖1 所示，是一層介質(zhì)和兩層金屬組成的3層式結構，單元尺寸為 10 mm×10 mm×3.2 mm.其上層金屬是由4個1/4圓弧圍繞一個帶電阻的方環(huán)頂角構成的諧振單元；中間層為FR4介質(zhì)層，相對介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02；底層為金屬板.由于環(huán)形結構的吸波超材料的諧振波長與其周長相對應[15]，當方環(huán)邊長a=6 mm、圓弧半徑c=2 mm時，吸波單元在7.5 GHz和11.7 GHz處產(chǎn)生兩個相鄰諧振點，實現(xiàn)寬的吸收帶.4個阻值R=150 Ω 的電阻分別設置在方環(huán)的4條邊上，并且為了方便電阻的焊接，在方環(huán)上增加邊長e=0.6 mm 的方形焊盤.吸波單元結構的具體尺寸為：方環(huán)邊長a=6 mm；方環(huán)邊寬b=0.15 mm；焊盤邊長e=0.6 mm；1/4圓弧半徑c=2 mm；圓弧邊寬d=0.2 mm；電阻R=150 Ω.

(a)俯視圖

吸波超材料的底層為完整金屬板時，電磁波很難透射，所以，傳輸系數(shù)很小(S12=0).由式(1)計算可得出吸波率

(1)

式中：A(ω)代表吸波率；S11代表反射系數(shù)；S12代表傳輸系數(shù).本文所設計的吸波單元反射系數(shù)和吸波率的仿真結果如圖2 所示.在相對帶寬約為63 %(6.5 GHz～12.5 GHz)的頻帶內(nèi)，該單元的反射系數(shù)均小于-10 dB，并且吸波率超過90%.在7.5 GHz和11.7 GHz處的峰值吸波率達到98%，此時，大部分入射電磁波都被集總電阻轉化為熱能所耗散.

圖2 吸波單元仿真結果

1.2 吸波材料結構分析

圖3 展示了吸波單元結構演變過程.由于環(huán)形結構具有良好的極化穩(wěn)定特性，所以在吸波單元的設計中采用了周期性的圓弧和方環(huán)結構.圖3(a)中單元僅在4個角印制相同的1/4圓弧結構；圖3(b)為加載集總電阻的方環(huán)結構；圖3(c)中單元結構由圓弧和方環(huán)組合構成；圖3(d)給出了3種結構的反射系數(shù).可以看出，僅有圓弧結構的單元在12.2 GHz有一個弱諧振點；僅方環(huán)結構的吸波單元在6.9 GHz有一個強諧振點；而由這兩種諧振單元組合構成的吸波單元在6.5 GHz～12.5 GHz的寬帶內(nèi)與自由空間達到阻抗匹配，實現(xiàn)了寬帶平穩(wěn)高吸收的特性.

圖3 吸波單元演變圖

在其他參數(shù)不變的情況下，分別對吸波材料的方環(huán)邊長a、圓弧半徑c和電阻阻值R3個參數(shù)進行分析.圖4(a)給出了方環(huán)邊長a對吸波單元反射的系數(shù)的影響.

(a)不同方環(huán)邊長a下反射系數(shù)

隨著方環(huán)邊長a由5.4 mm增大到6.4 mm，該單元的較低頻諧振點由 8.6 GHz 逐漸移動至6.9 GHz，反射系數(shù)幅值逐漸減?。惠^高頻諧振點的諧振頻率受影響較小，反射系數(shù)幅值逐漸增加.圖4(b)展示了圓弧半徑c對吸波單元反射系數(shù)的影響，可以看出，當圓弧半徑c從1.7 mm增加到2.3 mm時，吸波單元的較高頻諧振點有明顯向低頻移動的趨勢，并且反射系數(shù)幅值逐漸減小，而較低頻諧振點基本不受影響.因此，對方環(huán)邊長a和圓弧半徑c進行合理的取值，吸波超材料能在X波段實現(xiàn)良好的吸波效果.

從圖5 給出的電阻值R對吸波單元反射系數(shù)的影響來看，電阻的取值主要影響吸波單元的吸收峰.可以看到，當電阻從100 Ω增加到300 Ω時，吸波單元在6.7 GHz和12 GHz的兩個吸收峰逐漸靠攏.為了獲得寬帶吸波效果，電阻的阻值最終選取為150 Ω.

圖5 不同電阻R下吸波單元的反射系數(shù)

1.3 吸波材料性能分析

圖6(a)展示了在不同極化角度下吸波材料的吸收率.可以看出，當極化角度從0°增大到90°時，所設計吸波材料的吸收性能保持不變，表明該吸波材料具有極化穩(wěn)定的優(yōu)點.當TE極化波以不同角度入射時，吸波材料的吸收性能如圖6(b)所示.當入射角度從0°增大到30°時，該吸波材料在6.5 GHz～12.5 GHz范圍內(nèi)其吸波率均能達到90%以上，當入射角度增大到45°時，其吸波率仍能保持在80%以上.由此可見，所設計吸波材料具有在大入射角下吸收性能穩(wěn)定的優(yōu)點.

(a)不同極化角度φ

為了驗證所提出吸波材料的寬帶吸收特性，制作了吸波材料測試樣品，具體測試方法如圖7(a)所示.在微波暗室中，由Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀連接兩個喇叭天線來進行信號的發(fā)送和接收，吸波材料置于兩個喇叭天線的正前方，以測試其在電磁波垂直入射時的反射系數(shù).所測吸波陣列由10×10吸波單元構成，其整體尺寸為100 mm×100 mm，如圖7(b)所示.利用式(1)將所測得的反射系數(shù)換算成吸波率后可知，吸波陣列在8 GHz～14.84 GHz(相對帶寬 59.89%)范圍內(nèi)的吸波率均在90%以上，并且在 8.47 GHz 處吸波率峰值達到99.75%.與仿真結果對比，測試的吸波頻帶整體往高頻偏移，但該誤差對于吸波單元的整體吸波效果來說是可以接受的.

(a)測試方法

2 低RCS貼片天線

2.1 天線結構

低RCS貼片天線結構如圖8 所示.所設計天線是將10×10的吸波超材料中心的2×2個單元去掉，形成一個尺寸為15 mm×15 mm×1.6 mm的矩形窗后，將一個尺寸為9.1 mm×6.2 mm的矩形輻射貼片嵌入在矩形窗內(nèi)，并通過距離中心為1.7 mm處的同軸探針進行饋電，天線中心頻率為10.1 GHz.

(a)俯視圖

2.2 仿真和測試

為了研究吸波材料對于天線性能的影響，將未加載上層吸波結構的設計天線作為參考天線.圖9 展示了參考天線和設計天線的實物圖.在微波暗室中，采用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試，如圖10～圖12 所示.由圖10 天線反射系數(shù)的仿真和測試曲線可知，天線的-10 dB工作頻段分別為9.6 GHz～10.5 GHz和9.3 GHz～10.1 GHz.吸波結構的加載對天線的工作頻率沒有明顯影響，但是天線工作頻帶的測量值比仿真值向低頻偏移了300MHz.仿真與測試結果存在差異的主要原因是實物中介質(zhì)板的介電常數(shù)存在偏差.

圖9 天線實物圖

圖10 天線反射系數(shù)對比曲線

圖11(a)和圖11(b)分別為9.85 GHz時E面和H面的輻射方向圖.可以看出，與參考天線相比，所設計天線在E面和H面的后向和側向輻射均有明顯縮減，特別是天線背瓣減小了 16 dB，吸波超材料的加載起到改善天線輻射方向性的作用.參考天線和設計天線的峰值增益分別為4.97 dB和 5.17 dB，加載吸波超材料后，天線的增益提高了0.2 dB.

(a)E面

在設計天線與參考天線保持參數(shù)相同的情況下，給出在不同尺寸金屬地時的單站RCS縮減量，如圖12(a)所示.可以看出，隨著金屬地尺寸的增大，與參考天線相比，設計天線的單站RCS縮減效果逐漸加強，縮減峰值由15.16 dB逐漸增大到19.81 dB，在6 GHz～12 GHz范圍內(nèi)天線RCS的平均縮減量由9.23 dB逐漸增大到10.31 dB.為了在加載最少吸波體的情況下，使天線RCS在6 GHz～12 GHz范圍內(nèi)平均縮減 10 dB 以上，選擇金屬地尺寸為50 mm×50 mm的天線進行實物測試.圖12(b)給出了當金屬地尺寸為50 mm×50 mm時，天線單站RCS縮減量的仿真和測試結果對比.仿真RCS的最大縮減量在7.4 GHz處為18.26 dB，在6 GHz～12 GHz頻率范圍內(nèi)平均縮減了10.2 dB，在天線工作頻帶內(nèi)平均縮減7.1 dB；測試RCS的最大縮減量在 7.68 GHz 處為23.54 dB.相較于仿真結果，測試的RCS縮減頻帶整體向高頻偏移，造成頻帶偏移的原因是電阻阻值存在偏差，但RCS縮減量的變化趨勢基本一致.驗證了所設計貼片天線具有寬帶低RCS特性.

(a)不同尺寸下天線的RCS縮減量

3 結 語

本文設計了一種由圓環(huán)和帶電阻方環(huán)周期排列構成的寬帶吸波超材料，其單元由一個帶電阻的方環(huán)和位于方環(huán)各頂角周圍的1/4圓弧構成.電磁波垂直入射時，由10×10單元構成的吸波超材料的吸波率在6.5 GHz～12.5 GHz(相對帶寬為63 %)寬頻帶范圍內(nèi)能夠達到90%以上.隨后，基于該吸波超材料提出了一種寬帶低RCS的貼片天線.測試結果表明：所設計吸波超材料在 8 GHz～14.5 GHz的寬頻帶范圍內(nèi)吸波率均在90%以上，在8.47 GHz處的峰值吸波率達99.75%.所設計天線的RCS在9.3 GHz～10.1 GHz 的工作頻帶內(nèi)平均縮減了8.1 dB，在6 GHz～12 GHz頻率范圍內(nèi)平均縮減了10.2 dB，在7.68 GHz處RCS縮減量最大，達到23.54 dB，同時天線的輻射方向性得到明顯改善.