基于頻率選擇面低雷達散射截面的波導天線設計

何愷　呂英華　張金玲

(北京郵電大學,北京 100876)

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基于頻率選擇面低雷達散射截面的波導天線設計

何愷呂英華張金玲

(北京郵電大學,北京 100876)

摘要設計了一種可以縮減波導縫隙天線帶內雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)的頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)結構. 該結構采用人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor, AMC)方環(huán)為基本單元,螺旋排布的方式組成FSS反射地板,波導縫隙天線作為底部饋源. 為了證明該天線在帶內具有良好的RCS縮減性能,采用了同等大小的金屬地板作為參考天線地板進行對比. 仿真計算結果表明,當入射波垂直入射天線時,天線帶內RCS可達-25 dB,所設計的結構具有良好的帶內RCS減縮性能,同時保持了正常的天線輻射性能.

關鍵詞雷達散射截面;波導縫隙天線;頻率選擇表面

引言

雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)表示目標對入射電磁波散射特性的物理量. 隨著偵測技術和隱身技術的發(fā)展,天線RCS的縮減已經越來越受到各國學者的熱衷與關注,同時在軍事上有著重要的意義. 目前,用于天線RCS縮減的超材料結構主要有:電磁帶隙結構[1]、人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor, AMC)結構[2-3]、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)結構[4-6]、吸波結構[7]等. FSS結構是由周期性排列的金屬貼片單元或金屬屏上周期的開孔單元構成的一種二維周期陣列結構,與電磁波相互作用能表現出明顯的帶通或帶阻的濾波特性,因此,該結構的特殊性質可用于RCS的縮減研究. 天線作為輻射能量的主要器件,其散射性能相對較差,實際工程中需要對天線系統(tǒng)的散射性能加以改善,往往散射性能的改善又會導致輻射性能變差. 由于天線本身的輻射性能,帶內RCS的縮減比帶外RCS的縮減更加困難.

波導縫隙天線[8]因為其結構緊湊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點被廣泛應用于雷達系統(tǒng)中,其在飛行器頭部方向會產生較強的RCS,因此,研究波導縫隙天線RCS的縮減具有非常重要的實用性.

本文設計了一種加載螺旋分布AMC的FSS反射板的波導縫隙天線,利用三維電磁仿真軟件CST對該結構進行仿真模擬．仿真結果表明,天線帶內RCS最大可達-25 dB,具有良好的減縮特性且保持了正常的輻射性能.

1理論分析

天線散射通常由兩部分組成,一種是與負載無關的結構模式項散射場,另一種是隨負載變化的天線模式項散射場. 將AMC方環(huán)對稱螺旋排布,不同旋轉方向對入射電磁波的反射存在相位差,根據相位相消原理,通過調整AMC單元尺寸以及單元間距即可適當調整螺旋結構之間相位差,從而有效減小天線的結構項散射場,使天線帶內RCS得到有效縮減.

電磁波經過相鄰螺旋AMC單元時,相鄰AMC等效的輻射場為:

EAMC1=A·ej·φ1;

(1)

EAMC2=A·ej·φ2．

(2)

式中: A為表面產生的電磁幅度; φ1和φ2分別為AMC1和AMC2的反射相位．

等效輻射總場為

E=EAMC1·F1+EAMC2·F2．

(3)

當電磁波垂直入射時,有F1=F2=2,其中F1和F2為陣列參數.將式(1)、(2)帶入式(3)化簡得

E=2A·(ej·φ1+ej·φ2)．

(4)

相鄰單元等幅同相的反射場為

E0=4A·ej·φ1．

(5)

若要RCS縮減量達到10dB,即

|E|2/|E0|2≤-10dB,

(6)

將式(4)、(5)代入式(6)得相鄰AMC單元相位差范圍為

143°≤|φ1-φ2|≤217°．

(7)

由于AMC單元的高阻抗特性可以抑制波導縫隙天線輻射縫隙周圍的表面波,使天線的輻射性能得以改善,從而在縮減RCS的同時保持了天線的正常輻射性能.

2頻率選擇表面的基本結構

所設計的頻率選擇表面結構以AMC方環(huán)為基本單元,如圖1所示．根據式(7)得出的相位差范圍,經掃參優(yōu)化后其尺寸大小為:單元周期p=1 mm,方環(huán)外邊長a1=0.96 mm,內邊長a2=0.38 mm. 將AMC單元螺旋排布并構成FSS單元模塊,如圖2所示,螺旋排布的AMC結構邊長a=10 mm. 相鄰螺旋排布的AMC單元反射相位差曲線如圖3所示,有效反射相位差對應頻段為5.35～6.4 GHz.

圖1　AMC方環(huán)結構圖

圖2　螺旋排布的AMC結構圖

圖3　相鄰螺旋AMC單元反射相位差

3實驗結果分析

加載FSS的波導縫隙天線結構如圖4所示,選用的介質板為聚四氟乙烯玻璃布板(F4B-2),介電常數為2.65,整體尺寸為120 mm×120 mm×3 mm,上層為FSS表面,下層采用金屬接地板,底部為波導縫隙天線饋電,饋電波導采用標準波導(國標BJ-58),波導縫隙長26 mm、寬2 mm,縫隙板邊長為40 mm. 參考天線選用同等大小的金屬表面作為天線的反射板.

圖4　加載FSS的波導縫隙天線

采用三維電磁仿真軟件CST進行建模與仿真,得到天線單站RCS如圖5所示,天線RCS最大縮減量頻段為5.4 GHz,達到了25 dB,極大地改善了天線的散射性能. 天線的反射系數如圖6所示,工作頻段為5.4～5.9 GHz,中心頻率為5.6 GHz,由于帶阻型FSS在工作頻段內具有良好的反射特性,因此在中心頻率附近RCS縮減變小,整體縮減對應頻段滿足公式(3)所對應的反射相位差頻段. 5.6 GHz天線方向圖如圖7所示. 圖中曲線對比表明,加載FSS的波導縫隙天線保持了良好的輻射性能.

圖5　天線雷達散射截面曲線

圖6　天線的反射系數曲線

(a) E面

(b) H面圖7　5.6 GHz天線方向圖

4結論

本文基于AMC單元結構,通過螺旋排布AMC方環(huán),設計了一種高性能的FSS結構,并將其應用在波導縫隙天線上,極大地縮減了天線帶內RCS,在改善了天線散射性能的同時保持了天線良好的輻射性能,并通過仿真計算得到驗證. 本文的研究設計有利于高性能FSS的進一步研究以及為波導縫隙天線帶內RCS的縮減提供了一種新的解決思路.

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The design of waveguide antenna with low radar cross section based on frequency selective surface

HE KaiLü YinghuaZHANG Jinling

(BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

AbstractWe designed a frequency selective surface(FSS) structure which can reduce the radar cross section(RCS)in band of waveguide slot antenna. The structure utilized the artificial magnetic conductor(AMC)loop as the basic unit, which were formed in helical arrangement on FSS reflection board and took the waveguide slot antenna as the bottom feed. In order to prove that the antenna which has good performance in RCS reduction, the same size of metal board is designed to compare with the reference antenna. The simulation results show that, when the wave vertically incident into the antenna, the RCS of antenna can achieve -25 dB, and the antenna maintains good reflective performance and normal radiation performance as well.

KeywordsRCS; waveguide slot antenna; FSS

收稿日期：2015-06-11

中圖分類號TN82

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0243-04

DOI10.13443/j.cjors.2015061102

作者簡介

何愷(1991-),男,湖北人,北京郵電大學電子工程學院碩士研究生,主要研究方向為電磁超材料及天線設計等研究.

呂英華(1944-),男,遼寧人,北京郵電大學教授,博士生導師,中國郵電高校(英文)學報、電波科學學報、中國高校學術文摘等編委、國家自然基金委的同行評議專家,通信學會高級會員,主要從事電磁兼容與信息安全、電波與天線、生物電子等方面的研究.承擔項目30余項.在國內外重要學術刊物及會議上發(fā)表文章260多篇.

張金玲(1968-),女,內蒙古人,博士,教授,博士生導師,主要從事電磁場與微波技術、太赫茲電子技術和生物醫(yī)學電子學領域的研究工作.

何愷, 呂英華, 張金玲. 基于頻率選擇面低雷達散射截面的波導天線設計[J]. 電波科學學報,2016,31(2):243-246. DOI: 10.13443/j.cjors.2015061102

HE K, Lü Y H, ZHANG J L. The design of waveguide antenna with low radar cross section based on frequency selective surface [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):243-246. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015061102

資助項目: 國家自然科學基金(No.61171051)

聯(lián)系人： 何愷 E-mail：627047039@qq.com