一種極化選擇多頻帶的低雷達截面積反射屏

姚 旭,曹祥玉,高 軍,趙 一,楊歡歡

(1.空軍工程大學空管與領航學院,陜西西安 710051; 2.空軍工程大學信息與導航學院,陜西西安 710077)

一種極化選擇多頻帶的低雷達截面積反射屏

姚 旭1,曹祥玉2,高 軍2,趙 一2,楊歡歡2

(1.空軍工程大學空管與領航學院,陜西西安 710051; 2.空軍工程大學信息與導航學院,陜西西安 710077)

利用互補開口環(huán)諧振器的諧振特性,設計了一種極化選擇多頻帶人工磁導體,并采用相位對消的方法,將此新型人工磁導體和理想電導體組合,提出了一種具有極化選擇特性的多頻帶低雷達截面積反射屏.當電磁波以水平極化和垂直極化照射該屏時,分別產生2個和3個低雷達截面積頻段,具有多頻段極化選擇吸波特性.

人工磁導體;反射屏;極化選擇特性;多頻段;雷達截面積減縮

雷達截面積(RCS)是雷達探測技術、隱身和反隱身技術中表征目標可被識別的一個基本參數(shù),是目標體在平面波照射下返回功率的一種量度.目前減少雷達截面積最有效的方法主要有雷達吸波材料涂覆技術和外形隱身技術.最常用的吸波材料是Salisbury吸收屏[1],它是由損耗層和間隔層組成的一種結構,將電阻片放置在距離底板1/4波長處,能有效吸收電磁波.這類結構具有設計思路簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,但是材料厚度較大,應用受到了限制.文獻[2-4]利用人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor,AMC)反射面在中心頻率附近的高阻抗特性代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Salisbury屏,并在人工磁導體單元之間加載電阻吸收電磁波,實現(xiàn)超薄雷達吸波材料的設計.

利用反射波相互干涉的原理,通過不同反射面之間的相位對消將后向散射能量轉移到其他角度,降低了目標的雷達截面積,可以實現(xiàn)外形隱身.文獻[5]利用人工磁導體和理想電導體反射面之間相位相差180°的特性,將人工磁導體結構和理想電導體結構組成棋盤型反射屏,使兩部分的電磁反射相互抵消,有效地將能量引導到其他方向,降低了目標的單站雷達截面積.文獻[6]將人工磁導體和理想電導體構成的環(huán)形表面應用到波導縫隙天線設計中,同時實現(xiàn)了天線增益和雷達截面積的改善.文獻[7-8]采用兩種結構(即AMC1和AMC2)組合替代人工磁導體和理想電導體結構組合,通過優(yōu)化設計,以在較寬頻帶內保持AMC1與AMC2相位差為180°±30°,實現(xiàn)較寬頻帶上的雷達截面積減縮.文獻[9-10]利用兩種人工磁導體重合頻段的帶內耦合作用,實現(xiàn)相位差為141°的雷達截面積減縮.

筆者將互補開口環(huán)諧振器與人工磁導體相結合,提出了一種極化選擇多頻段人工磁導體(PDMAMC).利用該新型人工磁導體與理想電導體相位對消,設計出具有極化選擇特性的多頻帶低雷達截面積反射屏.

1 極化選擇多頻帶人工磁導體結構

根據(jù)傳輸線理論,人工磁導體結構可以等效為LC諧振電路,其同相反射區(qū)定義在±90°范圍內,在諧振點處反射相位近似為0°[11-12].傳統(tǒng)人工磁導體結構同相反射區(qū)只有一個頻帶,而在人工磁導體結構的金屬表面加載縫隙,可以通過改變金屬表面的電流和電場分布來實現(xiàn)多個頻帶同相反射[13].由開口環(huán)諧振器結構和互補開口環(huán)諧振器結構的對偶關系[14]可知,在電磁波垂直入射互補開口環(huán)諧振器結構的條件下,當磁場平行于互補開口環(huán)諧振器結構開口邊時會產生磁諧振,從而造成傳輸阻帶;而當電場平行于互補開口環(huán)諧振器結構開口邊時不會產生諧振現(xiàn)象,沒有傳輸阻帶[15-17].利用這一特性,筆者設計了一種極化選擇多頻帶人工磁導體(PDMAMC).該結構在無過孔人工磁導體的金屬表面加載互補開口環(huán)諧振器結構[18-19],結構參數(shù)如圖1所示,周期為7.5 mm,金屬貼片大小為7.3 mm,互補開口環(huán)諧振器的外環(huán)長度為6.5 mm,開口寬度g=0.2 mm,內外環(huán)的寬度為0.2 mm,內外環(huán)的間距為0.5 mm,介質板厚度為2 mm,介電常數(shù)為2.65.

圖1 人工磁導體單元幾何結構

采用HFSS12的Floquet端口,結合主從邊界模擬無限周期進行仿真,可以得到在不同電場極化垂直照射極化選擇多頻帶人工磁導體結構的反射相位,如圖2所示.從圖2中可以看出,當電場為x極化(電場方向平行于x軸)時,該結構具有兩個同相反射區(qū),分別是4.1～4.58 GHz和9.5～9.94 GHz,其反射相位曲線零點分別為4.36 GHz和9.75 GHz;當電場為y極化(電場方向平行于y軸)時,該結構具有3個同相反射區(qū),分別是3.72～4.34 GHz,4.57～5.16 GHz和7.27～7.62 GHz,其反射相位曲線零點分別為3.85 GHz,4.86 GHz和7.39 GHz.

圖3給出不同電場極化垂直照射極化選擇多頻帶人工磁導體結構的電場分布.當電場為x極化時,互補開口環(huán)諧振器結構不會產生磁諧振,可將其等效為傳統(tǒng)的雙環(huán)型結構.如圖3(a)所示,雙環(huán)型結構和人工磁導體結構的金屬表面產生了兩個諧振;當電場為y極化時,互補開口環(huán)諧振器結構會產生磁諧振,此時互補開口環(huán)諧振器作為微擾源與人工磁導體結構的金屬表面共同作用產生3個諧振[20],如圖3(b)所示.3個諧振分別是由外環(huán)、內環(huán)和外環(huán)與內環(huán)共同作用產生的.

圖2 不同電場極化下極化選擇多頻帶人工磁導體結構的反射相位

2 極化選擇多頻帶低雷達截面積反射屏

低雷達截面積反射屏理論模型為理想磁導體和理想電導體構成2×2的二維棋盤型陣列表面,如圖4(a)所示.當平面波照射到陣列表面時,可以近似認為理想磁導體和理想電導體表面產生幅度相等的表面電流,只是相位相反.這樣陣列的散射問題則可等效為輻射問題,利用陣列天線原理加以分析,其散射陣因子可以表示為

圖3 不同極化下極化選擇多頻帶人工磁導體結構的電場分布

式中,Imn表示輻射幅度,d表示單元間距.

圖4 棋盤型相位對消表面

由式(1)可知,當平面波垂直入射到圖4(a)所示的結構上時,θ=0°(鏡向方向),φ=0°(xy系),φ=90°(yz系),由于反射場的相位對消,在某些角域反射能量會變小,在某些角域反射能量會增加,從而可達到改變散射特性的目的.由于自然界中理想磁導體并不存在,而周期人工磁導體結構在諧振點處反射相位近似為0°,可以用周期人工磁導體結構代替理想磁導體來實現(xiàn)相位對消.

這里采用尺寸為圖2的4×4的極化選擇多頻帶人工磁導體單元結構代替理想磁導體部分,組成了具有極化選擇多頻帶特性的低雷達截面積反射屏,如圖4(b)所示,尺寸為60 mm×60 mm.由于極化選擇多頻帶人工磁導體對于x極化和y極化入射電場分別出現(xiàn)2個和3個反射相位零點,這樣在入射波為不同極化條件下可以實現(xiàn)多頻帶相位對消.圖5給出了3～12 GHz的不同極化電磁波垂直入射下單站雷達截面積減縮曲線.對于x極化的入射條件,在5.16 GHz和9.98 GHz附近出現(xiàn)了減縮效果,最大減縮幅度為18.5 d B;對于y極化的入射條件,在3.98 GHz,5.02 GHz和7.66 GHz附近出現(xiàn)了減縮效果,最大減縮幅度為27.4 d B,該結果與圖2的反射相位零點取得一致,其中略微的頻差主要是由于反射相位曲線仿真時采用無限周期所致.圖6分別給出了7.66 GHz處y極化入射和9.98 GHz處x極化入射條件下的φ=0平面的后向散射方向圖.從圖中可以看出,鏡向區(qū)域的散射峰值得到了有效的抑制.

圖5 垂直入射情況下的不同極化條件的雷達截面積減縮曲線

圖6 后向散射方向圖

圖7 實驗測試裝置和實驗實物圖

3 反射率實驗

在開放的空間中驗證極化選擇多頻帶人工磁導體反射屏反射特性.利用矢量網(wǎng)絡分析儀(Agilent N5230C)、3～15 GHz寬帶喇叭天線、螺釘調配器等微波器件,建立如圖7(a)所示的實驗測試系統(tǒng)[21].首先利用網(wǎng)絡分析儀本身產生的微波信號,使用螺釘調配器將喇叭天線的回波損耗特性調至最小,即天線的輻射特性最好,此時利用該天線測量接收到的回波損耗特性.為了和金屬屏進行對比,需要測量兩次:一次是金屬屏,另一次是極化選擇多頻帶人工磁導體反射屏.根據(jù)兩次結果,檢驗極化選擇多頻帶人工磁導體反射屏空間反射特性.將天線旋轉90°,改變入射波的極化方式進行同樣測量.由于電場沿x和y方向極化,因此整個平板波導系統(tǒng)的設置與仿真設置基本一致.加工一塊5×5的棋盤表面結構樣品,尺寸為300 mm× 300 mm,如圖7(b)所示.圖8為極化選擇多頻帶人工磁導體反射屏與金屬屏在不同極化條件下的反射能量差值.由圖可知,對于x極化的入射條件,在5.48 GHz和9.8 GHz附近出現(xiàn)了10 dB以上的減縮效果;對于y極化的入射條件,在3.86 GHz,5.61 GHz和7.05 GHz附近出現(xiàn)了10 dB以上的減縮效果,實測結果和仿真結果基本一致.

圖8 測試結果

4 結束語

將互補開裂環(huán)與人工磁導體結合,筆者設計了一種極化選擇多頻帶人工磁導體.將該新型人工磁導體與理想電導體的相位對消,設計出對于不同極化條件下的多頻帶低雷達截面積反射屏.理論分析和仿真、實驗結果均表明該結構對于不同極化條件具有多頻帶吸波特性.此外,對極化選擇特性多頻段的目標雷達截面積減縮具有應用價值.

[1]Fante R L,McCormack M T.Reflection Properties of the Salisbury Screen[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1988,36(10):1443-1454.

[2]Gao Q,Yin Y,Yan D B,et al.Application of Metamaterials to Ultra-thin Radar-absorbing Material Design[J]. Electronic Letters,2005,41(17):936-937.

[3]Simms S,Fusco V.Tunable Thin Radar Absorber Using Artificial Magnetic Ground Plane with Variable Backplane[J]. Electronic Letters,2006,42(21):1197-1198.

[4]Costa F,Monorchio A,Manara G.Analysis and Design of Ultra Thin Electromagnetic Absorbers Comprising Resistively Loaded High Impedance Surfaces[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2010,58(5):1551-1558.

[5]Paquay M,Iriarte J C,Ederra I,et al.Thin AMC Structure for Radar Cross-section Reduction[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,55(12):3630-3638.

[6]Tan Y,Yuan N,Yang Y,et al.Improved RCS and Efficient Waveguide Slot Antenna[J].Electronic Letters,2011,47(10):582-583.

[7]Zhang Y,Mittra R,Wang B Z,et al.AMCs for Ultra-thin and Broadband RAM Design[J].Electronic Letters,2009,45(10):484-485.

[8]Fu Y Q,Li Y Q,Yuan N C.Wideband Composite AMC Surfaces for RCS Reduction[J].Microwave and Optical Technology Letters,2011,53(4):712-715.

[9]De Cos M E,álvarez Y,Las-Heras F.A Novel Approach for RCS Reduction Using a Combination of Artificial Magnetic Conductors[J].Progress in Electromagnetics Research,2010,107:147-159.

[10]De Cos M E,álvarez Y,Las-Heras F.On the Influence of Coupling AMC Resonances for RCS Reduction in the SHF Band[J].Progress in Electromagnetics Research,2011,117:103-119.

[11]Sievenpiper D,Zhang L J,Broas R F J,et al.High-impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Technolgy,1999,47(11):2059-2074.

[12]Goussetis G,Feresidis A P,Vardaxoglou J C.Tailoring the AMC and EBG Characteristics of Periodic Metallic Arrays Printed on Grounded Dielectric Substrate[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2006,54(1):82-89.

[13]Chen X,Li L,Liang C H.Locally Resonant Cavity Cell Model for Meandering Slotted Electromagnetic Band Gap Structure[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010,9:3-7.

[14]Falcone F,Lopetegi T,Baena J,et al.Effective Negative-εStopband Microstrip Lines Based on Complementary Split Ring Resonators[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2004,14(6):280-282.

[15]Marqués R,Medina F,Rafii-El-Idrissi R.Role of Bianisotropy in Negative Permeability and Left Handed Metamaterials [J].Physical Review:B,2002,65(14):144441/1-6.

[16]Smith D,Gollub J,Mock J,et al.Calculation and Measurement of Bianisotropy in a Split Ring Resonator Metamaterial [J].Journal of Applied Physics,2006,100(2):024507.

[17]Katsarakis N,Koschny T,Kafesaki M.Electric Coupling to the Magnetic Resonance of Split Ring Resonators[J]. Applied Physics Letters,2004,84(15):2943-2945.

[18]Hosseini M,Pirhadi A,Hakkak M.A Novel AMC with Little Sensitivity to the Angle of Incidence Using 2-layer Jerusalem Cross FSS[J].Progress in Electromagnetics Research,2006,64:43-51.

[19]Peng L,Ruan C L,Li Z Q.A Novel Compact and Polarization-dependent Mushroom-type EBG Using CSRR for Dual/ triple-band Applications[J].IEEE Microwave Components Letters,2010,20(9):489-491.

[20]Goussetis G,Feresidis A P.Perturbed Frequency Selective Surfaces for Multiband High Impedance Surfaces[J].IET Microwave,Antennas and Propagation,2010,4(8):1105-1110.

[21]Liu J C,Liu C,Kuei C P,et al.Design and Analysis of Broadband Microwave Absorber Utilizing FSS Screen Constructed with Circular Fractal Configurations[J].Microwave and Optical Technology Letters,2005,48(3):449-453.

(編輯:郭 華)

Polarization-dependent mutiband low RCS reflection screen

YAO Xu1,CAO Xiangyu2,GAO Jun2,ZHAO Yi2,YANG Huanhuan2
(1.ATC Navigation Collage of Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China;2.Information an Navigation School of Air Force Engineering University,Xi’an 710077,China)

A novel radar reflection screen composed of the polarization-dependent mutiband artificial magnetic conductor(PDMAMC)and perfect electric conductor cells is proposed.The PDMAMC is realized by etching a complementary split ring resonator(CSRR)on the patch of a conventional artificial magnetic conductor.Around the two/three operational frequencies of the PDMAMC-elements for different electric field polarizations,the reflection of the PDMAMC and perfect electric conductor have opposite phases,so for any normal incident plane wave the reflections cancel out.The basic principle is discussed and a sample is measured.The results show that the proposed method is feasible and effective for polarization-dependent mutiband RCS reduction.

artificial magnetic conductor;reflection screen;polarization-dependent;mutiband;radar cross section reduction

TM15

A

1001-2400(2014)01-0153-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.027

2012-10-30 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間:

時間:2013-09-16

國家自然科學基金資助項目(61271100);陜西省自然科學基金研究重點資助項目(2010JZ010);陜西省自然科學基礎研究資助項目(SJ08-ZT06);陜西省自然科學基金資助項目(2012JM8003)

姚 旭(1983-),男,空軍工程大學博士研究生,E-mail:qishui83215@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.189_023.html