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(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 西安 710127)

天線；雷達(dá)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(xué)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(yīng)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(dǎo)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(diǎn)，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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)通時，F(xiàn)SS表現(xiàn)為典型的空間帶通濾波器特性，當(dāng)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(yīng)用

可重構(gòu)頻率選擇表面的實(shí)驗應(yīng)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(yīng)用模式介紹其在天線RCS減縮中的應(yīng)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(dāng)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(shí)現(xiàn)天線帶外RCS減縮。而當(dāng)二極管電阻為零即二極管導(dǎo)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(yīng)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(shí)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(shí)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(jìn)行分析。首先，當(dāng)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(jìn)行了仿真及實(shí)測驗證。仿真及實(shí)測11如圖8所示，方向圖如圖9所示?？梢钥闯霎?dāng)天線處于工作狀態(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(yīng)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(shí)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(jìn)一步論證可重構(gòu)FSS反射板的物理現(xiàn)象。即當(dāng)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(dāng)可重構(gòu)FSS反射板處于二極管導(dǎo)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

[1] 周禹龍, 曹祥玉, 高軍, 等. 雙頻頻率選擇表面及其在微帶天線寬帶RCS 減縮中的應(yīng)用[J]. 電子與信息學(xué)報, 2017, 39(6): 1446-1451. doi: 10.11999/JEIT160854.

ZHOU Y L, CAO X Y, GAO J,. Dualband frequncey selective surface and its application to wideband RCS reduction of the microstrip antenna[J].&, 2017, 39(6): 1446-1451. doi: 10.11999/JEIT160854.

[2] 張晨, 曹祥玉, 高軍, 等. 低RCS寬帶磁電偶極子貼片天線設(shè)計[J]. 電子與信息學(xué)報, 2016, 38(4): 1012-1016. doi: 10.11999 /JEIT150897.

ZHANG C, CAO X Y, GAO J,. Low radar cross section and broadband magneto-electric dipole patch antenna[J].&, 2016, 38(4): 1012-1016. doi: 10.11999/JEIT150897.

[3] PAN W B, HUANG C, CHEN P,. A Low-RCS and high-gain partially reflecting surface antenna[J]., 2014, 62(2): 945-949. doi: 10.1109/TAP.2013.2291008.

[4] JIANG W, LIU Y, GONG S X,. Application of bionics in antenna radar cross section reduction[J]., 2009, 8: 1275-1278. doi: 10.1109/LAWP.2009.2037168.

[5] WANG F W, JIANG W, HONG T,. RCS reduction of wideband antenna with a novel wideband radar absorbing materials[J].&, 2014, 8(7): 491-497. doi: 10.1049/iet-map.2013.0356.

[6] OUEDRAOGO R O, ROTHWELL E J, and GREETIS B J. A reconfigurable microstrip leaky- wave antenna with a broadly steerable beam[J]., 2011, 59(8): 3080-3083. doi: 10.1109/TAP. 2011.2158970.

[7] WANG B Z, XIAO S Q, and WANG J. Reconfigurable patch antenna design for wideband wireless communication systems [J]., 2007, 1(6): 414-419. doi: 10.1049/iet-map:20050349.

[8] PIAZZA D, MOOKIAH P, D’AMIOO M,. Experimental analysis of pattern and polarization reconfigurable circular patch antennas for MIMO systems[J]., 2010, 59(5): 2352-2362. doi: 10.1109/ TVT.2010.2043275.

[9] CAI Y X and DU Z W. A novel pattern reconfigurable antenna array for diversity systems[J]., 2009, 8: 1227-1230. doi: 10.1109/LAWP.2009.2035720.

[10] LAI M I, WU T Y, HSIEH J C,. Design of reconfigurable antennas based on an L-shaped slot and PIN diodes for compact wireless devices[J]., 2009, 3(1): 47-54. doi: 10.1049/iet-map: 20080049.

[11] CHANG W J, LI M, LI G P,. Reconfigurable scan-beam single-arm spiral antenna integrated with RF-MEMS switches[J]., 2006, 54(2): 455-463. doi: 10.1109/TAP.2005.863407.

[12] 官正濤, 何海丹, 何慶強(qiáng). 一種基于可重構(gòu)機(jī)理的微帶天線RCS縮減技術(shù)[J]. 成都大學(xué)學(xué)報, 2014, 33(4): 362-364.

GUAN Z T, HE H D, and HE Q Q. Reconfigurable microstrip antenna RCS reduction technique[J]., 2014, 33(4): 362-364.

[13] HUANG C, PAN W B, MA X L,. Low-loss circularly polarized transmitarray for beam steering application[J]., 2016, 64(10): 4471-4476. doi: 10.1109/TAP.2016.2586580.

[14] 王夫蔚, 龔書喜, 張鵬飛, 等. 結(jié)構(gòu)型吸波材料在陣列天線RCS減縮中的應(yīng)用[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報, 2012, 39(5): 116-120. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2012.05.016.

WANG F W, ZHANG P F, GONG S X,. Radar absorbing material applied to the RCS reduction of array antennas[J]., 2012, 39(5): 116-120. doi: 10.3969/j.issn.1001-2400.2012.05.016.

[15] LI Y Q, ZHANG H, FU Y Q,. RCS reduction of ridged waveguide slot antenna array using EBG radar absorbing material[J]., 2008, 7: 473-476. doi: 10.1109/LAWP.2008.2001548.

[16] WANG F W, GUO L X, and GONG S X. Left-handed material superstrate applied to the RCS reduction of microstrip antenna[J]., 2016, 30(11): 1428-1439. doi: 10.1080/09205071. 2016.1202784.

[17] YAN S and VANDENBOSOH G A E. Radiation pattern- reconfigurable wearable antenna based on metamaterial structure[J]., 2016, 15: 1715-1718. doi: 10.1109/LAWP.2016. 2528299.

[18] SIM C Y D, LIAO Y J, and LIN H L. Polarization reconfigurable eccentric annular ring slot antenna design[J].2015, 63(9): 4152-4155. doi: 10.1109/TAP.2015.2443173.

[19] YANG W H, CHE W Q, JIN H Y,. A polarization- reconfigurable dipole antenna using polarization rotation AMC structure[J]., 2015, 63(12): 5305-5315. doi: 10.1109/TAP.2015. 2490250.

[20] MIAS C. Varactor-tunable drequency selective surface with resistive lumped element biasing grids[J]., 2005, 5(9): 570-572. doi: 10.1109/LMWC.2005.855372.

[21] MUNK B A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design[M]. New York, Wiley, 2000, Section II.

[22] WANG W T, GONG, S X, WANG X,. RCS reduction of array antenna by using bandstop FSS reflector[J]., 2009, 23(11): 1505-1514. doi: 10.1163/156939309789476473.

[23] HOSSEINI A, CAPOLINO F, and FLAVIIS F D. Gain enhancement of a v-band antenna using a fabry-pérot cavity with a self-sustained all-metal cap with FSS[J].,2015, 63(3): 909-921. doi: 10.1109/TAP.2014.2386358.

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(xué)基金(61501372)

The National Natural Science Foundation of China (61501372)