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        基于超材料完全吸收器的低RCS微帶天線

        2014-01-01 03:17:48劉亞紅羅春榮趙曉鵬
        現(xiàn)代雷達 2014年4期

        顧 帥,劉亞紅,羅春榮,趙曉鵬

        (西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系, 西安710129)

        0 引言

        超材料完美吸收器是一種人工設(shè)計的周期性排列的亞波長結(jié)構(gòu)材料,其在外加電磁場所激發(fā)的諧振響應(yīng)可產(chǎn)生有效的高吸收效果,合理設(shè)計超材料單元結(jié)構(gòu)形狀、大小和排列方式,能夠達到對電磁波的完全吸收[1-2],這種優(yōu)異的電磁波吸收特性可用于隱身技術(shù)。隨著信息戰(zhàn)和電子戰(zhàn)的迅猛發(fā)展,戰(zhàn)場環(huán)境中的隱身效果已經(jīng)成為戰(zhàn)場生存的首要因素,現(xiàn)階段有多種方法能達到隱身的目的[3]。但是,對于雷達隱身,一直沒有效果明顯的技術(shù)和方法,因而,雷達隱身成為隱身技術(shù)中的重點和難點。特別是對于微帶天線,由于微帶天線的工作是由于諧振產(chǎn)生的激勵發(fā)射電磁波,所以,在微帶天線工作頻帶上往往具有較高的雷達散射截面(RCS)[4-5]。雖然微帶天線具有拋面薄、體積小、重量輕、易與飛行器共形等優(yōu)點,但是,它具有較高的RCS限制了其實際應(yīng)用。

        微帶天線RCS縮減技術(shù)有縫隙加載技術(shù)、頻率選擇極化技術(shù)、面天線阻抗加載技術(shù)、選頻濾波罩技術(shù)等多種方法[6-9],而且比較成熟的選頻濾波罩技術(shù)要用于現(xiàn)在的雷達天線還有很多具體問題尚待解決[10]。在研究新材料的時候,為了簡化設(shè)計,一般是研究單貼片情況下的各項性能[11-15],本文設(shè)計了一種基于超材料完全吸收器的微帶天線,通過調(diào)節(jié)吸收單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和微帶天線輻射貼片的幾何尺寸,使吸收器的工作頻帶與微帶天線的工作頻帶相匹配,將超材料吸收器鑲嵌在微帶天線的四周,從而實現(xiàn)微帶天線在工作頻帶內(nèi)RCS的縮減。這種基于超材料完全吸收器的微帶天線,不僅解決了微帶天線RCS較高的缺點,同時繼承了微帶天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易共形的特點,可直接應(yīng)用印刷電路板制造工藝進行制作。

        1 圓環(huán)超材料吸收器的設(shè)計

        圓環(huán)超材料吸收器結(jié)構(gòu)由金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)、介質(zhì)基板和金屬薄膜組成。當(dāng)電磁波垂直入射到超材料吸收器表面時,不同大小的圓環(huán)會在不同的頻率產(chǎn)生諧振吸收電磁波,當(dāng)適當(dāng)組合不同大小的圓環(huán)結(jié)構(gòu)時,就能形成寬頻帶的吸收效果[16]。通過基于有限時域差分(FDTD)的電磁軟件CST模擬計算得到吸收器的反射S11參數(shù),由于背面是金屬膜,所以,透射為0 dB,吸收率Abs=1-|S11|2。

        根據(jù)不同尺寸結(jié)構(gòu)單元組合拓寬吸收帶寬的原理,通過仿真模擬設(shè)計了一種由八組圓環(huán)結(jié)構(gòu)組成的吸收單元[17],該吸收單元由八種圓片形狀的貼片按照對角組合規(guī)律排列,圖上用數(shù)字標示各種不同結(jié)構(gòu)的銅圓環(huán)。正面為圓環(huán)結(jié)構(gòu)銅片,銅厚度均為0.035 mm,電導(dǎo)率為5.8×107S/m;中間介質(zhì)為FR-4基板,厚度為0.8 mm,介電常數(shù)為4.65,損耗角正切為0.025。整個正方形面板單元邊長為120 mm。1號類型圓環(huán)外徑為4 mm;2號類型圓環(huán)外徑為3.35 mm;3號類型圓環(huán)外徑為3.4 mm;4號類型圓環(huán)外徑為3.38 mm;5號類型圓環(huán)外徑為3.3 mm;6號類型圓環(huán)外徑為3.25 mm;7號類型圓環(huán)外徑為3.2 mm;8號類型圓環(huán)外徑為3.15 mm;所有圓環(huán)內(nèi)徑為1.2 mm,各種不同類型圓片均按照對角規(guī)則排列,同一類型圓片的周期間距為 20mm,其結(jié)構(gòu)單元如圖1所示。

        圖1 吸收器單元結(jié)構(gòu)示意圖

        采用電路板刻蝕技術(shù)制作了仿真設(shè)計的樣品,為了減少外界環(huán)境對吸收性能測試結(jié)果的影響,測試在微波暗室中進行。利用架設(shè)一對X波段的標準增益喇叭作為微波的發(fā)射天線和接收天線,通過連接線分別連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3629的發(fā)射端口和接收端口,對垂直放置在轉(zhuǎn)臺工作臺中心上的樣品的進行測試。實驗測試的吸收結(jié)果如圖2所示。

        圖2 吸收器吸收效果仿真和實驗結(jié)果

        由圖中實驗測試結(jié)果可知,頻率范圍在10.33 GHz~11.24 GHz范圍內(nèi)均能達到80%以上的吸收率,實驗測試結(jié)果和模擬仿真結(jié)果曲線形狀大致相同,但是存在一些差距,其原因可能是由于介質(zhì)基板的不均勻和加工時產(chǎn)生的尺寸誤差造成。

        2 傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線設(shè)計

        按設(shè)計矩形微帶天線的相關(guān)經(jīng)驗,通過改變輻射貼片的尺寸將天線的工作中心頻率設(shè)計在10.3 GHz,在主貼片四周加上寄生貼片使微帶天線的工作頻帶拓寬。通過仿真優(yōu)化,天線主輻射貼片的尺寸為7.8 mm×9.7 mm;四個寄生貼片的尺寸均為7.8 mm×2.3 mm,寄生貼片與中心主輻射貼片之間的距離為4 mm;金屬接地板和基板的尺寸均為120 mm×120 mm,采用背部同軸線方式饋電,饋電點位于貼片中心正下方2.3 mm處,實現(xiàn)了天線的最佳阻抗匹配。天線的基板選用的厚度為1.5 mm的聚四氟乙烯纖維板,其相對介電常數(shù)為2.65,損耗角正切為0.001,厚度為1.5 mm;金屬貼片和金屬接地板的材料采用銅,厚度為0.035 mm。模擬加寬頻帶微帶天線-10 dB以下的有效工作頻帶寬度為9.884 GHz~11.096 GHz。

        圖3 傳統(tǒng)微帶天線回波損耗仿真結(jié)果

        3 基于超材料吸收器的微帶天線設(shè)計

        3.1 超材料吸收器微帶天線的設(shè)計

        在傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線的基礎(chǔ)上,我們將寬頻帶超材料吸收器應(yīng)用在傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線上,采用電路板刻蝕技術(shù)制作了超材料吸收器和微帶天線,將吸收單元鑲嵌在天線四周,使吸收器和天線在有貼片方向上處于一個平面,整個組合大小為120 mm×120 mm。

        圖4 加載超材料吸收器微帶天線示意圖

        在微波暗室中測試了傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線和基于超材料吸收器的回波損耗,微帶天線-10 dB以下的有效工作頻帶寬度為9.88 GHz~11.21 GHz。對于加載吸收器的微帶天線,其回波損耗和未加載吸收器的微帶天線基本保持一致,可以看出,加載吸收器對微帶天線的回波損耗沒有影響。

        圖5 微帶天線回波損耗實驗測試值

        3.2 方向圖和增益

        在微波暗室中分別測試了傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線和基于超材料吸收器微帶天線的輻射方向圖和增益。圖6是微帶天線工作頻帶內(nèi)選取的三個頻點(10.2 GHz、10.6 GHz、11.0 GHz)處的方向圖實驗測試結(jié)果。

        圖6 微帶天線方向圖實驗測試結(jié)果

        方向圖半功率波束寬度對比見表1,可以看出,在微帶天線的工作頻帶內(nèi),加載吸收器對微帶天線的輻射方向性有較小的影響。

        表1 微帶天線半功率波束寬度實驗測試結(jié)果

        同時,在微波暗室中測試了超材料吸收器對微帶天線增益的影響,如圖7所示,在微帶天線工作頻段內(nèi),10.6 GHz以下的頻率范圍內(nèi)加載超材料吸收器有益于增益的提高,在10.6 GHz以上的頻率范圍內(nèi)加載超材料吸收器會影響微帶天線的增益。

        圖7 微帶天線增益實驗測試結(jié)果

        綜合以上數(shù)據(jù)分析得知,加載超材料吸收器在微帶天線的工作頻帶內(nèi)對微帶天線的性能沒有較大的影響,加載超材料吸收器的微帶天線依然能夠正常工作。

        3.3 微帶天線單站RCS

        對于加載超材料吸收器的微帶天線,我們進一步測試其RCS特性,通過在微波暗室中對標準金屬球的定標,將放置在轉(zhuǎn)臺上的樣品進行測試[18-20],測試使用AV3629高性能微波一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,其測試結(jié)果如圖8所示。

        由圖8a)可知,在微帶天線的工作頻帶內(nèi),微帶天線的RCS在正面有了明顯的縮減,在10.6 GHz附近縮減最大,正面0°方向RCS縮減量達到了-15.8 dB,其余頻帶也有明顯的縮減。根據(jù)圖8b)結(jié)果顯示,當(dāng)處于微帶天線的工作頻帶外時,加載超材料吸收器的微帶天線RCS值和傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線RCS值一致。這充分說明加載超材料吸收器能有效降低微帶天線在工作頻帶內(nèi)的RCS值。

        圖8 微帶天線RCS實驗測試結(jié)果

        4 結(jié)束語

        本文設(shè)計制作了一種工作頻帶為9.88 GHz~11.21 GHz的傳統(tǒng)寬頻帶微帶天線和一種吸收頻帶為10.33 GHz~11.24 GHz的圓環(huán)超材料吸收器,將圓環(huán)超材料吸收器加載在傳統(tǒng)微帶天線上制作成一種基于超材料吸收器的寬頻帶微帶天線,實驗測試對比了傳統(tǒng)微帶天線和基于超材料吸收器的寬頻帶微帶天線的回波損耗、方向圖、增益以及雷達散射截面,發(fā)現(xiàn)將寬頻帶超材料吸收器加載在微帶天線上,對微帶天線工作頻段范圍內(nèi)的回波損耗、方向圖、增益沒有明顯的影響,而RCS在微帶天線工作頻段范圍內(nèi)有較大的縮減,最大縮減在10.6 GHz正面0°方向達到了-15.8 dB,在微帶天線的工作頻帶內(nèi)其他頻點也有明顯的縮減效果。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,在使微帶天線正常工作的情況下,通過加載超材料吸收器的方法可以有效降低微帶天線在工作頻帶內(nèi)的RCS值。

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