跨譜域低可探測的電磁超構表面天線 *

鄭月軍，陳 強，丁 亮，肖 科，鐘 赟，張貴生

(1. 國防科技大學 電子科學學院， 湖南 長沙 410073； 2. 國防科技大學 空天科學學院， 湖南 長沙 410073；3. 中國人民解放軍94040部隊， 新疆 庫爾勒 841000； 4. 空軍工程大學 裝備管理與無人機工程學院， 陜西 西安 710051)

天線作為低可探測飛行器上的開放電磁窗口，其低可探測性能成為制約飛行器整體低可探測性能提升的瓶頸。天線低可探測的關鍵是既要保證電磁波的正常輻射和接收，同時又要盡量減小對入射波的反射，這實際上是很難解決的。電磁超構表面(MetaSurface, MS)是一種影響電磁波傳播特性的超薄界面，一般由可任意調控電磁波幅度、相位和極化的周期或非周期人工結構組成[1-5]。隨著電磁超構表面的不斷發展，電磁超構表面種類越來越豐富，調控電磁波的功能越來越多樣化[6]。電磁超構表面為減縮天線雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)提供了新的技術途徑。

利用電磁超構表面減縮天線RCS的方式主要有兩種：一是利用吸波型電磁超構表面的吸波特性[7]，將電磁能量轉換成其他形式的能量而耗散掉；二是利用反射型電磁超構表面的同相反射特性[8]或者極化旋轉特性[9]，通過相位對消布陣將威脅空域的雷達波散射到其他空域。曹祥玉教授課題組提出了一種交叉縫隙超薄完美吸波體(Perfect Metamaterial Absorber, PMA)并將其應用于波導縫隙天線，在天線輻射性能基本不受影響的情況下實現了帶內RCS減縮[10]。然而，上述設計需要通過額外增加吸波型電磁超構表面實現天線低可探測，并且電磁超構表面與天線分立設計，兩者相互影響，具有不確定性，天線輻射性能或多或少會受到影響，因此加載吸波型電磁超構表面的方法在有效解決天線輻射和低可探測矛盾方面仍面臨挑戰。并且，目前在天線低可探測方面主要關注微波頻段的低可探測，對于其紅外低可探測研究較少。要想實現微波與紅外的兼容低可探測，根據探測原理，需要電磁超構表面具有對微波頻段的探測波高吸收、低反射同時對紅外波段的探測波低吸收、高反射的特性[11-12]。顯然，二者對電磁超構表面的電磁特性要求相互制約，微波與紅外兼容低可探測成為制約天線低可探測性能提升的難點之一。

本文針對上述難題，提出將電磁超構表面設計思想融入天線設計中，在天線正常輻射下，使其具有電磁超構表面的吸波特性。這樣不用額外加載吸波型電磁超構表面，僅利用天線自身結構的吸波特性，就能減縮天線RCS。在此基礎上，針對紅外低可探測問題，設計了一種在微波頻段具有高透射特性而在紅外頻段具有高反射(即低發射率)的電磁超構表面，并加載到天線輻射方向上方，利用其微波頻段高透射特性，保證天線正常輻射和吸波，實現天線的微波低可探測，同時利用其紅外頻段高反射特性，使天線具有低紅外輻射強度，實現天線的紅外低可探測。

1 兼具輻射與微波低可探測的天線設計

根據將電磁超構表面融入天線設計的思想，天線與電磁超構表面共用一個結構，因此應選擇相似度高的結構。除了饋電結構，貼片天線與貼片形式的電磁超構表面在結構上高度相似，因此以貼片天線作為研究對象。圖1給出了所設計的貼片天線結構，由于在x和y軸方向均存在饋電結構，為了便于后續的行文描述，定義沿x和y軸方向的饋電端口分別為端口1和端口2，采用聚四氟乙烯作為天線介質材料，相對介電常數εr=3.0，損耗角正切tanδ=0.002。利用貼片天線經驗設計公式，設計工作頻率f=2.8 GHz的天線結構并進行結構參數優化，優化后參數如表1所示。

圖1 設計的天線結構示意圖Fig.1 Schematic geometry of the designed antenna

表1 優化后天線結構參數

根據激勵源的不同，采用不同的邊界。首先，在輻射邊界和集總端口激勵下，分析了電磁超構表面的輻射特性[13-14]。圖2給出了天線饋電端口1和端口2的反射系數模值|S11|和|S22|以及端口1到端口2的傳輸系數模值|S21|。天線兩個端口的反射系數模值曲線完全重合，均具有良好的阻抗匹配，在2.77～2.88 GHz頻率范圍內|S11|和|S22|均小于-10 dB，并在2.82 GHz產生諧振。從端口1到端口2的傳輸系數模值曲線可以看出，在天線工作頻率范圍內，|S21|均小于-27.9 dB，這說明兩個端口之間隔離較好，即當端口1接饋電，端口2接匹配負載時，端口1傳輸到端口2能量非常小，大部分能量被輻射而不是被端口2吸收。因此，以端口1饋電、端口2接匹配負載為例，觀察了天線在諧振頻點2.82 GHz的2D輻射方向圖，如圖3所示，天線朝前向輻射，最大增益達到6.66 dBi，天線最大交叉極化電平比主極化電平低了29.30 dB，由此可知所設計的天線具有較好的輻射性能。

圖2 天線的|S11|、|S22|和|S21|Fig.2 |S11|，|S22| and |S21| of the antenna

圖3 天線在2.82 GHz的輻射方向圖Fig.3 Radiation patterns of the antenna at 2.82 GHz

在周期邊界和Floquet端口激勵下研究了天線的反射特性[13-14]，此時天線兩個端口均接匹配負載。圖4給出了天線反射幅度和吸波率，從圖4可以看出，在x和y兩種極化波照射下，天線反射幅度曲線幾乎重合，且均有所減小，在2.76～2.89 GHz頻率范圍內反射幅度均小于-10 dB，根據吸波率計算公式

(1)

可知吸波率均在90%以上，最小反射幅度為-18.42 dB，天線的吸波頻帶包含其輻射時的工作頻帶，這說明天線具有較好的吸波效果。天線反射相位如圖5所示，x和y兩種極化下的反射相位曲線也幾乎重合，在2.81 GHz處過零點，這說明天線還具有同相反射特性。由上述結果可知，在工作頻帶范圍內，對x和y極化入射波均具有較好的吸波特性，即在微波頻段具有良好的低可探測效果。為了進一步驗證其低可探測效果，研究了天線的RCS，如圖6所示，從圖中可看出，在天線工作頻帶內，RCS有明顯的降低，天線具有較好的低可探測性能。

圖4 天線的反射幅度和吸波率Fig.4 Reflection magnitude and absorptivity of the antenna

圖5 天線的反射相位Fig.5 Reflection phase of the antenna

圖6 天線的RCSFig.6 RCS of the antenna

2 天線的紅外低可探測設計與性能分析

紅外低可探測主要是降低目標的紅外輻射強度，使其與背景環境相似，從而達到低可探測效果。由史提芬-玻爾茲曼定律可得被探測目標紅外輻射能量[15]為：

E0=σεT4

(2)

式中，σ為史提芬-玻爾茲曼常數，ε為目標的發射率，T為目標的絕對溫度。由式(2)可知，在溫度一定時，紅外低可探測要求目標具有低發射率，從而降低目標的輻射強度。根據基爾霍夫定律可知，在任意T和波長λ下，不透明熱平衡物體的發射率等于其吸波率α，即吸波率越少，則發射率越低。很顯然，純金屬平板是電磁波的良反射體，其對紅外線幾乎是沒有吸收的，所以是良好的紅外低可探測材料。

基于第1節設計的天線，在微波段具有較好的吸波效果，可知其具有很高的紅外發射率。為了降低天線的紅外發射率，可在天線上方加載一層低發射率的材料，雖然純金屬平板是良好的紅外低可探測材料，但其在微波頻段幾乎沒有任何低可探測效果，且會對天線輻射性能產生巨大影響。針對上述問題，本文提出在天線上方加載一層微波頻段高透射、紅外頻段低發射率的電磁超構表面。受純金屬平板是良好的紅外低可探測材料啟發，電磁超構表面要具有低發射率，即要電磁超構表面結構擁有盡可能多的金屬成分，因此選擇貼片結構作為電磁超構表面單元結構，而貼片結構又具有低頻透射、高頻反射特性，由此可知，貼片形式電磁超構表面設計是解決天線紅外低可探測問題的關鍵。

2.1 電磁超構表面設計

根據紅外物理特性，電磁超構表面紅外發射率可表示為[16-18]：

ε=M/Mb

(3)

其中，M為電磁超構表面輻射的出射度，Mb為黑體輻射的出射度，其可表示為：

M=?P/?A

(4)

其中，P為輻射功率，A為物體面積。

實際中電磁超構表面是以某種介質作為支撐板，因此電磁超構表面的輻射功率可表示為：

P=Pc/Pd

(5)

其中，Pc為電磁超構表面金屬部分的輻射功率，Pd為電磁超構表面介質部分的輻射功率。

聯合式(3)～(4)可得電磁超構表面發射率為

εms=εcsc+εd(1-sc)

(6)

式中εc和εd分別為電磁超構表面中金屬以及介質的發射率；sc則為金屬面積在整個電磁超構表面整個面積中所占的比例。

由式(6)可知，電磁超構表面的發射率與金屬及介質的發射率相關，并且受限于金屬在電磁超構表面中的占空比。而在溫度一定的情況下，金屬以及介質的發射率是常數，因此可以通過對金屬在電磁超構表面中填充率的調整，改善電磁超構表面整體的發射率，進而改善天線的發射率。綜合考量電磁超構表面的微波透波特性以及紅外低發射特性，優化設計金屬在電磁超構表面中的填充率，實現電磁超構表面設計。

圖7給出了所設計貼片形式的電磁超構表面結構，采用聚四氟乙烯作為介質材料，εr=3.0，tanδ=0.002。對結構參數進行優化，參數pms、t1、L1優化后的值分別為2.0 mm、0.125 mm、1.8 mm。

圖7 電磁超構表面結構示意圖Fig.7 Schematic geometry of the metasurface

電磁超構表面在微波頻段的電磁性能，如圖8所示，電磁超構表面的透射系數模值接近于1，反射系數模值均在0.2以下，在天線的工作頻段，電磁超構表面的透射系數模值均在0.984以上，具有很好的透射特性。由文獻[15-16]可知，聚四氟乙烯覆銅板的聚四氟乙烯塑料發射率一般為0.9，金屬銅的發射率一般為0.05，由式(6)計算可得電磁超構表面發射率為0.212。由上述分析可知，電磁超構表面實現了微波高透射特性以及紅外低發射特性。

圖8 電磁超構表面的|S11|、|S22|和|S21|Fig.8 |S11|、|S22| and |S21| of the metasurface

2.2 加載電磁超構表面的天線設計與性能分析

將設計的電磁超構表面加載到天線上方，如圖9所示，電磁超構表面下表面距天線上表面的高度為h，優化后h=1.5 mm。研究了加載電磁超構表面對天線輻射和反射特性的影響。

圖9 加載MS后天線結構示意圖Fig.9 Schematic geometry of the antenna with MS

首先，在輻射邊界和集總端口激勵下，分析了電磁超構表面的輻射特性。天線兩個端口的反射系數模值和端口與端口間的傳輸系數模值如圖10所示，天線兩個端口的反射系數模值曲線完全重合，均具有良好的阻抗匹配，在2.77 GHz產生諧振，并在2.72～2.82 GHz頻率范圍內|S11|和|S22|均小于-10 dB，與未加載電磁超構表面的天線相比，天線工作頻帶略向低頻偏移，諧振頻率向低頻偏移0.05 GHz。從端口1到端口2的傳輸系數模值曲線可以看出，在天線工作頻率范圍內，|S21|均小于-27.8 dB，這說明兩個端口之間隔離較好。進一步以端口1饋電、端口2接匹配負載為例，觀察了天線在諧振頻點2.77 GHz的2D輻射方向圖，如圖11所示，天線朝前向輻射，最大增益達到6.72 dBi，與未加載電磁超構表面的天線相比，增益略有提高(0.06 dB)，天線最大交叉極化電平比主極化電平低了28.51 dB，這說明天線具有較好的輻射性能。由上述分析可知，加載超構表面后，對天線輻射性能基本沒有影響。

圖10 加載MS后天線的|S11|、|S22|和|S21|Fig.10 |S11|，|S22| and |S21| of the antenna with MS

圖11 加載MS后天線在2.77 GHz的輻射方向圖Fig.11 Radiation patterns of the antenna with MS at 2.77 GHz

在周期邊界和Floquet端口激勵下研究了加載電磁超構表面后天線的反射特性，此時天線兩個端口均接匹配負載。天線的反射幅度和吸波率曲線如圖12所示，在x和y兩種極化波照射下，天線反射幅度曲線幾乎重合，且均有所減小，在2.70～2.80 GHz頻率范圍內反射幅度均小于-10 dB，最小反射幅度為-12.49 dB，這說明天線仍具有較好的吸波效果。與未加載電磁超構表面的天線相比，天線的吸波頻帶向低頻偏移0.06 GHz，基本包含其輻射時的工作頻帶，最小反射幅度提升了5.93 dB。天線反射相位如圖13所示，x和y兩種極化下的反射相位曲線也幾乎重合，在2.72 GHz處過零點，這說明天線仍具有同相反射特性。由上述結果可知，加載電磁超構表面后，天線吸波特性雖略有惡化，但仍保持較好，即在微波頻段仍具有良好的低可探測效果。天線的RCS，如圖14所示，從圖中可看出，在天線工作頻帶內，RCS有明顯的降低，天線具有較好的低可探測性能，同樣也觀察到了天線RCS減縮帶寬向低頻偏移，加載電磁超構表面對天線微波低可探測性能影響很小。

圖12 加載MS后天線的反射幅度和吸波率Fig.12 Reflection magnitude and absorptivity of the antenna with MS

圖13 加載MS后天線的反射相位Fig.13 Reflection phase of the antenna with MS

圖14 加載MS后的天線RCSFig.14 RCS of the antenna with MS

由式(6)計算未加載電磁超構表面天線的發射率為0.546，而加載電磁超構表面后天線的發射率為0.212，加載電磁超構表面后天線的發射率降低了0.334，即61.2%。由上述結果可知，加載電磁超構表面后，在保持正常輻射下，天線較好地實現了微波與紅外的兼容低可探測。

3 結論

本文針對低可探測飛行器平臺對天線的新需求，設計了一種微波/紅外低可探測的電磁超構表面天線。提出將電磁超構表面設計思想融入天線設計中，在天線正常輻射下，使其具有電磁超構表面的吸波特性，這樣不用額外加載吸波型電磁超構表面，僅利用天線自身結構的吸波特性，就能實現天線微波低可探測。在此基礎上，設計了一種微波頻段高透射、紅外頻段低發射率的電磁超構表面，將其加載到天線降低了天線的發射率。實驗結果表明，新設計的天線在保持正常輻射下，較好地實現了微波與紅外的低可探測，該設計方法為提升天線低可探測性能提供了新的思路。