張磊，董濤，尹建勇

(1.北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京 100086；2.天地一體化信息技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100086；3.北京理工大學(xué)，北京 100081)

0 引言

近年來，電子戰(zhàn)的快速發(fā)展極大地激發(fā)了人們對于隱身技術(shù)和反隱身技術(shù)的研究熱情。作為低可觀測平臺(tái)上一種特殊的有效散射體，天線的隱身設(shè)計(jì)受到了越來越多的關(guān)注[1]。與平臺(tái)上的非主動(dòng)輻射體不同，天線必須保證電磁波的正常輻射，因此，如何在保證天線輻射性能的同時(shí)縮減天線的RCS是一件重要且具有挑戰(zhàn)性的工作[2]。

微帶天線由于具有低剖面、成本低、易于共形等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。目前，已報(bào)道的微帶天線RCS減縮方法有：加載短路探針技術(shù)[3]、貼片整形技術(shù)[4]、小型化技術(shù)[5]、加載頻率選擇表面[6-8]、加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)[9-10]、加載結(jié)構(gòu)型吸波材料[11-12]、加載微帶諧振腔[13]等。這些方法在實(shí)現(xiàn)微帶天線RCS減縮的同時(shí)，往往都伴隨有增益的下降，因此如何在保持天線增益不變，甚至是提高天線增益的情況下來減縮天線的RCS將是一項(xiàng)非常具有研究意義的課題。

圓極化微帶天線具有抗雨霧干擾等優(yōu)點(diǎn)，其在雷達(dá)、航空航天通信等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。以往的微帶天線RCS減縮方法往往是針對于線極化天線，因此研究具有低RCS特性的圓極化微帶天線同樣也具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值[14]。

本文針對圓極化微帶天線，提出了一種新穎的超材料覆蓋層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上提高天線的增益，同時(shí)還能在寬頻帶范圍內(nèi)保持較低的RCS電平，較好地解決了圓極化微帶天線增益與低RCS性能之間相矛盾的問題。

1 新型超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)單元如圖1所示。該結(jié)構(gòu)為3層式結(jié)構(gòu)：上層的鋸齒形金屬條帶、中間層的介質(zhì)板以及下層的方形金屬貼片。其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：介質(zhì)板為Taconic的RF-35，厚度為H=3.18 mm，周期為L=5 mm，下層方形金屬貼片邊長為p=4.8 mm，上層金屬圖形的參數(shù)分別為a=0.4 mm，b=1 mm，c=1.4 mm，d=2.5 mm，e=0.2 mm。

圖1 超材料結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Unit cell of the proposed metasurface

1.2 仿真分析

由于超材料覆蓋層的上下表面結(jié)構(gòu)不同，所以，當(dāng)平面波從不同方向垂直照射到其表面時(shí)，超材料結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出不同的反射與傳輸特性。

首先考慮平面波垂直照射到結(jié)構(gòu)上表面的情況(即平面波沿z軸的負(fù)方向傳播)，設(shè)電場方向?yàn)閤軸方向。使用高頻電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真，得到其反射與透射曲線如圖2所示。

圖2 反射與傳輸曲線圖Fig.2 Reflection coefficient and transmission coefficient

由仿真結(jié)果可以看出，在9.1～20.4 GHz的頻段范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的交叉極化反射系數(shù)要大于同極化反射系數(shù)和同、交叉極化的傳輸系數(shù)，這說明入射平面波的電場在經(jīng)過超材料結(jié)構(gòu)反射后，方向發(fā)生了變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榻徊鏄O化方向，證明了該結(jié)構(gòu)能夠在較寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)入射電場的極化旋轉(zhuǎn)。

極化旋轉(zhuǎn)的原理如下：如圖3所示，入射的電場Ei可以被分解成沿著箭頭方向的平行分量Evi和垂直于箭頭方向的垂直分量Eui。當(dāng)入射電場平行于箭頭方向(v方向)，該超材料會(huì)產(chǎn)生電諧振，具有類似于理想電導(dǎo)體的特性，因此反射電場Evr與入射電場Evi之間將會(huì)產(chǎn)生180°相位差；而當(dāng)入射電場垂直于箭頭方向時(shí)(u方向)，該超材料將會(huì)產(chǎn)生磁諧振，具有類似于高阻抗表面的特性，因此反射電場Eur與入射電場Eui之間將會(huì)產(chǎn)生0°相位差。最終，與入射電場相比，通過向量合成，得到了一個(gè)產(chǎn)生了90°旋轉(zhuǎn)的反射電場。因此，將該結(jié)構(gòu)與其具有鏡像關(guān)系的單元組合在一起，如圖3所示，則兩者反射的電場將具有180°相位差，如圖4所示，最終造成反射波在遠(yuǎn)場的相互抵消，實(shí)現(xiàn)減縮RCS的目的。

圖3 超材料結(jié)構(gòu)及其鏡像結(jié)構(gòu)Fig.3 Unit cell and the mirror unit cell of metasurface

圖4 超材料單元與其鏡像單元之間相位差Fig.4 Phase difference between the unit cell and the mirror unit cell of metasurface

然后考慮平面波垂直照射到結(jié)構(gòu)下表面的情況(即平面波沿z軸的正方向傳播)，設(shè)電場方向?yàn)閤軸方向。其反射與透射曲線，如圖5所示。由仿真結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)并不具有常規(guī)帶通天線罩的完全透射特性，而是具有部分反射特性，如果將其放置于天線上方，將會(huì)和天線地板之間形成Fabry-Perot諧振腔[15]，從而有助于增強(qiáng)天線的增益。

圖5 反射與傳輸曲線圖Fig.5 Reflection coefficient and transmission coefficient

2 低RCS微帶天線的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證超材料對于天線輻射性能和散射性能的作用，設(shè)計(jì)了作為參考的圓極化微帶天線和加載覆蓋層的低RCS圓極化微帶天線，2種天線的工作頻率為6 GHz，采用切角實(shí)現(xiàn)右旋圓極化，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。2種天線的介質(zhì)板均為Taconic的RF-60A，尺寸為30 mm×30 mm×3.18 mm。超材料覆蓋層由圖1所示的單元及其鏡像單元組成，共36個(gè)結(jié)構(gòu)單元。介質(zhì)板均為Taconic的RF-35，其尺寸同為30 mm×30 mm×3.18 mm。超材料覆蓋層下表面與天線上表面之間的距離為6 mm。

圖6 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Geometry of the reference antenna and the low RCS antenna

使用高頻電磁仿真軟件HFSS分別對2種天線的輻射和散射性能進(jìn)行仿真優(yōu)化，其仿真結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7a)～e)分別展示了2種天線輻射性能的對比結(jié)果。由結(jié)果可以看出，2種天線都能夠很好地工作在6 GHz頻率附近。與參考天線相比，低RCS的微帶天線阻抗帶寬和軸比帶寬要小于參考天線，分別降低了3.63%和1.34%，這主要是由于加載超材料結(jié)構(gòu)的影響。在中心頻率處(6 GHz)，低RCS微帶天線的增益比參考天線提高了1.4 dB，同時(shí)，從圖7e)中也可以看出，在2種天線軸比均小于3 dB的頻段范圍內(nèi)(5.91～6.03 GHz)，低RCS微帶天線的增益均要高于參考天線，平均提升了1.46 dB，驗(yàn)證了超材料結(jié)構(gòu)對天線增益提升的作用。

圖7 輻射性能曲線Fig.7 Radiation performances of two antennas

圖8 散射性能曲線Fig.8 Scattering property of two antennas

從圖8的散射性能對比圖中可以看出，在平面波垂直入射的條件下，與參考天線相比，低RCS的圓極化微帶天線在9.7～21 GHz的頻段內(nèi)具有更低的RCS電平值，整個(gè)頻段范圍內(nèi)，RCS平均減縮幅度分別為9.06 dB(X極化)和9.21 dB(Y極化)，最大減縮幅度分別為20.93 dB(X極化)和26.76 dB(Y極化)。

由圖2可知，加載的超材料結(jié)構(gòu)在9.1～20.4 GHz頻帶范圍內(nèi)具有極化旋轉(zhuǎn)特性，而RCS減縮的頻帶為9.7～21 GHz，兩者基本吻合，驗(yàn)證了該方法的正確性。兩者之間的細(xì)微差別主要來源于仿真條件的不同：圖2中得到的結(jié)果是超材料結(jié)構(gòu)在無限周期條件下得到的，而圖8的結(jié)果是在只加載了3個(gè)周期的超材料結(jié)構(gòu)單元條件下得到的，單元數(shù)量的減少會(huì)造成一定的偏差。

由圖8c)和8d)可以看出，在12 GHz頻點(diǎn)處，對于2種極化，低RCS微帶天線在-15°～15°的θ角域范圍內(nèi)均具有更低的RCS電平。在該角域范圍內(nèi)，與參考天線相比，RCS減縮的平均值分別為6.87 dB(VV 極化)和13.36 dB(HH極化)。

3 結(jié)束語

本文針對圓極化微帶天線的寬頻帶隱身問題提出了一種新的解決方法，該方法的關(guān)鍵在于超材料覆蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有部分反射特性和極化旋轉(zhuǎn)特性，將其應(yīng)用于常規(guī)的圓極化微帶天線，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高天線增益和降低天線RCS的雙重目標(biāo)。結(jié)果表明：該超材料結(jié)構(gòu)可以帶來大于1 dB的增益提升效果，同時(shí)加載了該結(jié)構(gòu)的圓極化微帶天線在9.7～21 GHz的寬頻帶范圍內(nèi)保持較低的RCS電平值，整個(gè)頻帶內(nèi)，RCS平均減縮幅度超過9 dB。仿真結(jié)構(gòu)證明了設(shè)計(jì)方法的有效性與準(zhǔn)確性，表明該方法可以應(yīng)用于對圓極化微帶天線有低散射特性需求的場合。

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