有源周期性結構縮減表面RCS的研究＊

周 焱 蘇東林

（北京航空航天大學電子信息工程學院 北京 100191）

0 引 言

飛行器的隱身研究是現代空戰的重要研究課題，而如何有效地將其表面散射的電磁波減少到最小的程度，即有效縮減表面雷達散射截面（RCS）是其中的難題.現在主要應用于縮減物體RCS的技術主要分為外形減縮RCS，選用非金屬材料以及采用反雷達涂層等三類［1－2］.

周期性結構，即光帶隙（PBG）目前被廣泛地應用在微波電路、光纖通信以及納米材料的設計［3］.而頻率選擇表面（FSS）也是一種近年來發展迅速的周期性結構表面，主要是針對雷達反射截面（RCS）的減縮而發展的，它具有角度／頻率變化特性，帶通／帶阻特性，典型的窄帶特性以及二維結構的周期性［4］.

采用近似高阻抗結構表面的結構形式，利用有源器件變容二極管控制金屬單元貼片間的電容，有效改變電控層內的電學性質，吸收入射到表面的電磁波，從而有效縮減RCS是一項有效地隱身方法.而與吸波材料，飛行器外形共形設計的良好結合更是其研究發展的優勢［5］.

本文從探討有源周期性結構減縮RCS的原理出發，研究其工作本質，并通過在仿真驗證其理論的正確性和有效性.

1 周期性結構減縮表面RCS原理

1.1 高阻抗表面結構及其有源電控方式

高阻抗型周期性結構是今年來PBG研究的熱點之一［6－7］，如圖1，高阻抗結構（HIS）可以看作鋪設在介質層上表面的周期性金屬貼片結構和下表面的金屬地通過一個個通孔相連接而構成的類似“蘑菇”形狀的周期性結構.通孔的長度和介質層的厚度一致，一般為λ／4，由于下表面的金屬地為短路狀態，則由阻抗變換的原理可知，上表面的周期性貼片金屬單元結構所呈現的電路狀態是開路狀態，即高阻抗狀態.

通過對高阻抗表面的某些改進，可以有效的建立電控周期性結構的模型，如圖2所示.將每個金屬單元與相鄰金屬單元間以變容二極管連接，正負極連接方式，將二極管負極所連接的金屬單元中間的通孔結構直接透過金屬地平面并將通孔壁與旁邊的金屬地隔離開，用以連接外加電控源.與二極管正極相連接的金屬單元中的通孔保持和金屬地面接通.這樣的結構可以以電位差的形式驅動變容二極管的容值變化.變容二極管的容值變化不僅改變了周期性結構的等效LC網絡，也很大程度上影響了電介質層的電參數，從而使得入射電磁波的性質產生了改變.

介質基板的厚度小于λ／4一樣可以對減縮RCS產生明顯的效果，而且在有源變容二極管加在貼片單元上的時候，通孔的長度被有效縮短，也是可以減薄基板的原因［8－9］.

圖1 高阻抗型周期性表面結構（矩形單元）

圖2 有源控制單層高阻抗型周期性表面結構

1.2 有源控制周期性結構減縮RCS的方式

周期性結構尤其是高阻抗型周期性結構，可以影響介質層的有效介電常數，由公式

從而改變電介質的損耗角正切tanδ，使得入射的電磁波中的相當一部分被介質層吸收和損耗掉，從而降低了電磁波散射的能量，降低了RCS.在周期性單元間鋪設變容二極管來控制有效介電常數的實部和虛部的變化，從而可以控制tanδ，控制降低RCS的幅度以及角度范圍.

同時周期性結構表面在一定的頻率范圍內，可以使得機身表面對于入射的電磁波呈現出一種類似粗糙平面或海平面似的效果，可以使得入射電磁波的散射類似一定程度上的漫反射效果，有效降低單站RCS.

2 有源電控原理

2.1 電介質材料產生吸波能力原理

研究周期性結構對電磁波的吸收，可以先通過探討多層電介質材料結構反射系數來反映.理想的電介質吸波性能可以用以下方程式表示：電場和磁場的切向元素必須在交界面上是連續的［10］.如果反射參數是

在無耗媒質中，阻抗可以用相對介電常數和導磁率表示出來

如果媒質1是空氣或自由空間，則理想的吸收材質為零反射系數.換而言之，比如理想的吸收材料具有參量εr2，與μr2相等.然而，在微波頻段，εr2的幅值通常無法達到μr2同樣的水平.而在吸收材質中，一些材料可以從通過它們的電磁波的電磁場中吸收一部分能量.

考慮到媒質的電導率，則有阻抗的公式

所以無論是吸波材料還是周期性具備吸波能力的結構電路，其基本設計思路就是電介質或磁介質的安排設計以提供合適的阻抗，降低散射波，從而縮減了表面RCS.

2.2 電控周期性結構對電磁波的吸收研究

對于類似高阻抗結構的周期性結構單元的組合，可以將其起決定作用的電容和電感值近似歸結到周期性結構貼片單元之間的耦合電容和通孔的電感上.

分析周期性結構單元，以單層單個單元為分析對象，將與地面的通孔也看作水平方向上的一層周期性結構，則單層HIS結構意味著兩層周期性結構，同時這樣的矩形單元主要是一種電容性的結構，整個電磁性能受到單元間耦合電容性能的制約，分層示意圖如圖3所示.

2.2.1 上層周期性單元層 對于上層，也就是周期性金屬貼片層，依靠自由空間到PBG單元結構內部的阻抗推導，我們假設入射電磁波為TE模式，如圖4所示，可以得出，沿x方向的相對磁導率為

圖3 周期性結構分層示意圖

式中：a為周期單元距離，就是PBG結構的周期；h1為PBG金屬層的厚度；g為單元間距.方向介電常數是受到周圍平均介電常數影響的.式（6）說明，沿光軸方向的磁導率是橫向介電常數的倒數.可以這樣說，結構本身聚集了入射的電場，抑制了磁場.這樣的結構可以導致TEM波沿著單元的縱向方向傳播，就象是多導體傳輸線.其中，電場分布在每一個單元的邊緣部位，磁場被束縛在單元的中間介質層和金屬之間.有效介電常數會隨著聚集在條帶邊緣的電場能量的增加而升高，同時有效磁場強度則同時同比例地減小了.而這兩項因素是控制波速的，波速一定時，很容易證明這樣的相對變化.同時可以清楚地看到，波阻抗發生了很大的變化.而對于控制來說，控制PBG單元之間的金屬塊的間隙是最明顯的幾何變化量，同時也是最好地改變磁導率的變量.

2.2.2 下層通孔層 通孔陣列可以看作是周期性平面結構，而這樣的陣列可以看作是一種介質層空氣柱的周期性排列.如圖5所示，在頂層加負電壓的情況下，地面到頂層的電場方向如圖5所示是朝向上面的，而對于單個通孔和頂面金屬PBG單元結構，又可以將它們看作是微帶天線的形式.

圖4 TE波入射情形

圖5 通孔層模型

而整個平面看作一個個“蘑菇”形狀的貼片天線陣列，惟一不同的是天線是饋電從下面饋入.而我們的結構是沒有饋電的.中間的通孔可以看作一段直導線，在其中加以電場的情況下，有電流生成，因而產生磁場.

分析此通孔單元，可以看做高電感性結構.可以通過磁場計算其電感值的估計為［8］

在低頻的條件下有［8］

式中：γ為填充率.有了電感的估計值，可以通過試驗手法確定通孔周圍的介電常數和磁導率.從而得出z方向的有效介電常數為［8］

式（9）是在低頻的情況下的近似，是相對于周期性結構所無法起作用的很高的頻率所定義的.故有一個截止頻率，高于截止頻率就呈現出開路的性質了.對于這樣的金屬－電介質－通孔結構，其ε的主要作用源就是填充率和單元的尺寸，這兩項元素并且影響其截止頻率.

而事實上，有效介電常數是可以將電磁波在平面表面所傳播的表面波負數率控制的.換句話說，就是比如假設介電常數從－10變為－5，則在這個頻段的表面波是被截止的.而對于整個系統來看，則表面波在一定頻段內被抑制了［9－10］.

3 實驗仿真

針對普通的微波基板材料，來仿真實驗有源周期性結構對RCS的減縮性能.在HFSS中模擬出變容二極管的變容能力，可以針對變容二極管在整個系統中所起到的主要作用，用一個無源實體來代替，并且設此實體的介電常數可變，通過以上的分析，可知介電常數的改變直接影響了其電容的變化，這樣一來，就用無源的實體模塊模擬了有源的二極管器件，如圖6所示.

圖6 在HFSS中模擬有源周期性結構的方法

第二種方法是，直接在整個周期性結構模型中，改變電可控層的矩形貼片的尺寸，原理也是間接改變了其之間的耦合電容，只是這樣的改變是對于仿真其性能而假設的改變，實際情況下是無法實現的.

基于以上方法，分別對不同層數的有源周期性結構進行HFSS分析，對于變容二極管的容值變化范圍取通常的3～20pF，這里暫時不針對任何實際型號的二極管，只取普通的變容量程座作為代表性研究.同時對應的模塊ε值的虛部為0.2～0.7的變化范圍.而對于多層的周期性結構采用第二種方法變換各層金屬貼片的尺寸模擬互相連接變容二極管電容的容值變化，或2種方法結合使用，幅度在±40%以內.同時仿真各結構單站RCS值，取設定范圍內各變化參數來體現在縮減RCS上的作用.由于基片設計采用的是εr＝10.2，所以在周期為5mm時，其周期性結構的基本諧振頻點在7GHz附近.見圖7～8所示.

圖7 從整個表面上取出其中一個5mm×5mm的單元在HFSS上建立周期性邊界條件仿真

下面就平面金屬、單層有源周期性結構、雙層以及三層結構分別加以仿真，所有結構取5mm×5mm單元.

圖8 單站RCS仿真結果

理論仿真結果表明：單層有源周期性結構可以使得RCS縮減了65－62.3＝2.7dB（7GHz），而采用的雙層和三層有源控制周期性結構分別有能力在工作頻率點7GHz上將單站RCS降低了77－62.3＝14.7dB和86.5－62.3＝24.2dB.這是仿真的數據，實際情況下可能會有很多不理想的條件，結果會有差異，但仿真結果的趨勢是可以說明問題的.

在控制變容二極管的容值使得縮減RCS效果產生變化的同時，吸收頻帶也發生了變化（圖9中的各條曲線頻點變化明顯，圖10中頻點都已經降低到7GHz以下）.但所有的仿真試驗都是建立在HFSS理想的條件下，而在目前國內的多層高頻板的工藝各項條件差距比較大，而且加工精度無法達到這么高的情況下，無法制作實際的實驗件測試得到進一步的第一手數據資料也是比較可惜的.

圖9 雙層矩形周期性結構RCS

圖10 三層矩形周期性結構RCS

4 結束語

通過對有源周期性結構對介質層電參數的改變影響，以及系統的RCS對比仿真分析.可以知道在類似高阻抗結構的上層金屬單元間鋪設變容二極管，有效地改變了電控層的電學性質，使得整個表面結構產生了吸收電磁波的效果.同時有源周期性結構表面還在吸收和抑制表面波等方面對減縮RCS作出了貢獻，并且其與吸波材料以及共形的結合能力也很強.綜合多項性質，可知有源周期性結構可以很好的用在飛行器或其他物體的隱身、減縮RCS等用途上.

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