基于超材料吸波體的低雷達散射截面微帶天線設計*

楊歡歡 曹祥玉 高軍 劉濤 馬嘉俊 姚旭 李文強

(空軍工程大學信息與導航學院，西安 710077)

(2012年7月19日收到;2012年10月22日收到修改稿)

1 引言

雷達吸波材料是有效吸收入射電磁波、顯著降低目標回波強度的一類功能材料，可以大幅降低目標的雷達散射截面(radar cross section，RCS)，從而提高其隱身性能.傳統的雷達吸波材料存在厚、重、穩定性差等缺點，其應用受到了限制.因此，尋求和設計更適用的高性能吸波材料一直是材料學研究的熱點.2002年，Engheta[1]基于超材料(metamaterial，MTM)的亞波長結構可以突破物質本征自然規律限制的特征，首次提出由MTM獲得超薄吸收材料的思想，并用含損耗的頻率選擇表面 (frequency selective surface，FSS)加以實現，但設計方法煩瑣，很難推廣應用.隨后，研究人員[2,3]又提出利用MTM的同相反射特性，通過在材料表面加載集總電阻實現了超薄吸波結構，但其加工工藝復雜，也不利于實際應用.2008年Landy等[4]基于MTM的電磁耦合諧振特性，首次提出了由電諧振器、損耗型介質和金屬微帶線構成的具有“完美”吸收特性的吸波體.與傳統吸波材料和文獻[1—3]設計的吸波體相比，它具有結構簡單、超薄超輕、無表面損耗層且易實現紅外[5]及太赫茲頻段[6]吸波的特點，因此該類吸波材料引起了科研人員的廣泛關注并積極展開研究，各種極化不敏感[7-9]、寬入射角[10-12]、多頻段[13-15]和寬頻帶[16,17]的MTM吸波體不斷被提出，但對其應用的研究相對較少.近來，文獻[18，19]指出此類吸波體可以提高微帶天線的輻射性能，而吸波材料更常見的應用在于改善目標的散射性能，但已有文獻并沒有就該特性進行分析.

天線的RCS減縮是目標隱身技術中的一個關鍵問題，其難點在于減縮RCS的同時還必須保證天線最基本的輻射性能[20,21].對天線的帶外隱身，FSS雷達天線罩已經可以很好地解決，但對天線帶內隱身來說，FSS卻不是一種有效的方法，因此解決天線帶內隱身是當前工程領域迫切的一項課題.基于以上背景，本文設計了一種厚0.3 mm的超材料吸波體，并將其加載于微帶天線周圍，利用該吸波體高吸波率和無表面損耗層的特點，制備了一種兼有低帶內RCS和良好輻射性能的微帶天線.仿真和實測結果均表明：將設計的具有良好吸波效果的吸波體加載于微帶天線后，天線的輻射性能保持不變，而其帶內RCS在寬角域內得到顯著降低.

2 超材料吸波體設計與分析

設計的結構如圖1所示，圖1(a)，(b)分別為吸波體的正面、側面視圖.該吸波體由三層構成：上層挖空的方形金屬片、底層的金屬背板及間隔的損耗介質層.其中，金屬均為銅，電導率σ=5.8×107s/m，介質層為FR4，介電常數εr=4.4，損耗角正切tanδ=0.02.單元周期W1=10 mm，金屬貼片邊長W2=9.6 mm，挖去傾斜角為45°的方形邊長W3=4.2 mm，介質厚度h=0.3 mm(約為0.0057λ，λ是5.64 GHz對應的自由空間波長).上層的金屬片構成電諧振器，并與底層的金屬背板形成磁諧振器.設計這種結構，一是電、磁諧振器中心對稱可以消除吸波的各向異性[22]，二是全金屬背板在保證透射率為零(即|S21|2=0)的同時簡化了加工工藝.

圖1 超材料吸波體單元示意圖 (a)正視圖;(b)側視圖

圖2 吸波率隨入射角的變化

采用基于有限元法的軟件Ansoft HFSS進行仿真，得到TE和TM極化的入射波隨入射角變化對吸波率A(A=1-|S11|2-|S21|2=1-|S11|2)的影響，如圖2.可以看出，垂直入射時，吸波率大于50%的帶寬為210 MHz，在5.64 GHz達99.9%，入射角增大到60°時，雖然吸波率有所降低，但仍保持在85%以上，且對應的頻率變化很小，尤其對TM極化吸波率曲線非常穩定，說明該結構的吸波性能具有極化不敏感和寬入射角特性，因而可將其用于不同極化和寬角域的天線RCS減縮.

圖3 相對阻抗

吸波材料實現吸波必須具備兩個條件，即阻抗匹配和損耗特性.對于設計的吸波體，根據文獻[23]的結論，其相對阻抗z可由下式得到：

等效折射率n為

其中，k為波數，h為吸波體厚度.根據(1)式計算得到電磁波垂直入射時的相對阻抗如圖3，5.64 GHz時阻抗的實部近似為1，虛部接近為0，表明吸波體與自由空間實現了良好的阻抗匹配，因而使反射波很小.同時，吸波體底層連續的金屬薄膜保證了透射為零，這樣入射波只能被吸波體吸收.同樣由于S21=0，吸波體的等效折射率n(n=n1+in2)不能由(2)式直接計算求得，但折射率與散射參數之間滿足下式[13]：

由(3)式可知，為使等式右邊為0，折射率的虛部n2應當非常大，這就保證了電磁波在吸波體中傳輸時將被最大程度的吸收[13].

此外，圖4給出的吸波體在5.64 GHz的表面電流分布表明：入射電磁波的電場分量與上層貼片上下兩端的金屬臂產生了電諧振[19,24]，在外電場驅動下，電荷沿水平方向諧振，電場主要集中在金屬環左右兩邊;入射電磁波的磁場分量穿透上層金屬，在上下兩層金屬之間產生垂直方向的磁諧振[15]，相應地在上層金屬貼片的上下端及對應的金屬底板上激發出反向平行的電流，電諧振和磁諧振同頻產生，使得吸波體能夠幾乎100%地吸收入射波的電場和磁場能量[19].

圖4 電流分布圖 (a)金屬貼片;(b)金屬底板

圖5 吸波率實測仿真對比

為驗證仿真結果的正確性，利用電路板刻蝕技術制作了吸波體樣件，其實物如圖5中插圖，采用波導法[25]測試了其S11，并由公式A=1-|S11|2得到了吸波率.饋電波導采用C波段的標準波導(國標型號：WJB-58)，寬邊長40.4 mm，窄邊長20.2 mm，矢量網絡分析儀為Agilent N5230C.圖5對比給出了實測與仿真(設置與測試方法一致)的吸波率曲線，可以看出，兩者符合較好，證實了該吸波體確實有較好的吸波效果，可以用于天線的RCS減縮.

3 加載超材料吸波體減縮微帶天線RCS

微帶天線的散射包括結構項散射和模式項散射，加載超材料吸波體減縮天線帶內RCS主要是減小其結構項散射(峰值常在天線法線方向).利用所設計吸波體的超薄特性，直接將吸波體敷貼在微帶天線的輻射貼片周圍，并與貼片保持一定的距離，此時保證天線正常輻射，而入射到天線上的電磁波則被吸波體吸收.

3.1 天線的輻射性能

以普通的微帶天線為參考，加載吸波體后得到的設計天線如圖6所示.天線貼片尺寸為20 mm×15.4 mm，介質板為聚四氟乙烯，介電常數為2.65，厚1 mm，天線整體尺寸為80 mm×80 mm，超材料吸波體的參數與上節中描述相同，吸波體的吸波頻帶覆蓋了天線的工作帶寬.

圖6 設計微帶天線實物圖

利用吸波材料減縮天線帶內RCS的難點在于不降低天線輻射性能.圖7和圖8比較了加載吸波體前后天線輻射性能的仿真結果和用矢量網絡分析儀(Agilent N5230C)及遠場測量法測試的結果.從圖7看到，加載吸波體后微帶天線的反射系數基本沒有變化，仿真和實測結果符合較好.由于兩天線實測的諧振頻率都為5.66 GHz，圖8(a)，(b)比較了該頻點的輻射方向圖，可以看出，圖6的加載方式對天線方向圖幾乎沒有影響，仿真與實測結果一致，其中略微的差異是由加工誤差和測試環境造成的.

圖7 天線的反射系數

圖8 天線的方向圖 (a)仿真;(b)實測

3.2 天線的散射性能

圖9(a)—(c)分別給出了TE和TM極化的平面波垂直入射和斜入射情況下天線法向的RCS.從圖中可知，垂直入射時，在5—6 GHz頻段內，設計天線的RCS較參考天線均有減縮，兩種極化下RCS最大減縮分別達16.7 dB和14.3 dB，在5.58—5.73 GHz減縮均在3 dB以上;當入射角θ分別為45°和60°時，對于TE極化，設計天線的RCS分別在5.6—5.89GHz和5.55—5.79GHz減縮超過3dB，對于TM極化，RCS減縮達3 dB以上的頻段分別為5.57—5.75 GHz和5.57—5.78 GHz.從以上結果看出，無論單站還是雙站RCS，其減縮頻帶都完全覆蓋了天線工作帶寬，且與超材料吸波體的吸波頻帶(5.58—5.73 GHz)一致，說明RCS的減縮是由加載吸波體引起的.此外，天線對不同極化和斜入射波的RCS減縮結果同樣驗證了設計吸波體的極化和角度穩定性.

圖9 兩天線RCS隨頻率變化對比 (a)垂直入射;(b)TE極化斜入射;(c)TM極化斜入射

圖10(a)為TE和TM極化的平面波從不同角度入射時，天線在5.66 GHz的單站RCS曲線，可以看出，兩種極化下設計天線較參考天線RCS減縮最大分別達14.1 dB和13.2 dB，且在-30°—+30°角域減縮均超過3 dB.圖10(b)是在5.66 GHz不同極化的平面波垂直入射時，天線在各個角度的RCS，可以看到，在-90°—+90°角域，設計天線的RCS均低于參考天線.單站和雙站RCS隨角度變化的結果表明：設計天線在較寬角域內保持了低RCS特性，法向的RCS峰值得到顯著降低.這一結果也驗證了設計吸波體的寬入射角和高吸波率特性.

圖10 兩天線RCS隨角度變化對比 (a)單站;(b)雙站

為證實吸波體對天線結構項散射的減小效果，對加工的參考天線和設計天線均加載了匹配負載，在開放的空間中，用工作頻段為4.90—7.05 GHz的喇叭天線分別照射加載后的兩天線，并通過矢量網絡分析儀Agilent N5230C觀察電磁波垂直入射時天線的反射率.由于天線整體尺寸較小，考慮到測量系統精度，把待測天線放置在距喇叭天線0.6 m處，此時入射波可近似看作平面波.從圖11中的測量結果看到，加載吸波體后天線的反射率在5.56—5.75 GHz下降達3 dB以上，下降最大達10.6 dB，實測結果與仿真得到的天線RCS減縮效果基本一致.圖中曲線的抖動主要是由測試條件的不完備造成的.

圖11 反射率測試結果

4 結論

本文設計了一種極化穩定、寬入射角的超材料吸波體，并利用其超薄、高吸波率和無表面損耗層的特點，提出將該吸波體用于微帶天線的帶內RCS減縮.實驗結果表明：設計的吸波體厚度僅為0.3 mm，吸波率高達99.9%，與普通微帶天線相比，加載該吸波體后的天線輻射性能保持不變，而其帶內RCS對不同極化的入射波在較寬角域內都有較好的減縮效果，這對研究微帶天線帶內RCS減縮具有重要的參考價值.此外，由于直接將超薄的超材料吸波體敷貼在天線周圍，不需對現有天線結構做任何改動，因而該結構具有較好的工程實用性.但同時也看到，本文設計的吸波體帶寬還較窄，未來的研究將集中于增加其吸波帶寬，以實現對寬帶天線的帶內RCS減縮.

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