基于寬帶極化轉(zhuǎn)換超表面的天線RCS縮減

劉 潔，李建瀛，杜 彪

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

電磁超表面是一種二維超材料結(jié)構(gòu)，具有厚度薄、尺寸小和損耗低等優(yōu)點。當(dāng)入射電磁波穿過超表面時，會產(chǎn)生一些特殊的電磁現(xiàn)象[1]，從而改善天線的輻射性能。同時，超表面可實現(xiàn)對電磁波幅度、相位和極化等特性的調(diào)控，在隱身領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

一般使用雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)來衡量目標(biāo)隱身性能的強(qiáng)弱。RCS越小，表明目標(biāo)的隱身性能越好。RCS縮減的方法有很多種，其中大部分研究基于相位相消原理展開[2-5]，即通過一個或多個超表面單元的反射相位在結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)成180°相位差，使超表面結(jié)構(gòu)的總散射場得到大幅度減小，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)隱身特性。

極化轉(zhuǎn)換超表面(Polarization Conversion Metasurface,PCM)可以使入射波的極化方向或狀態(tài)產(chǎn)生改變[6-8]。根據(jù)功能分類，PCM可分為線極化波與線極化波轉(zhuǎn)換、線極化波與圓極化波轉(zhuǎn)換以及不同旋向的圓極化波之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)實現(xiàn)方式分類，PCM也可分為傳輸型和反射型。由于PCM結(jié)構(gòu)僅需要設(shè)計一種超表面單元即可在超寬帶范圍內(nèi)實現(xiàn)180°的相位差，在隱身應(yīng)用中，通常采用反射型線極化-線極化的PCM結(jié)構(gòu)來抑制后向的散射能量，實現(xiàn)寬帶RCS縮減特性[9-10]。

天線既可以發(fā)射電磁波也可以接收電磁波，同時天線又是非常強(qiáng)的散射源。最初，天線RCS縮減采用外形修改技術(shù)[11-12]。隨著超表面技術(shù)的發(fā)展，將PCM結(jié)構(gòu)和天線結(jié)合，不僅可以有效地改善天線的輻射特性，而且天線的RCS可以在寬帶范圍內(nèi)得到有效減小[13-16]。文獻(xiàn)[14]設(shè)計了一款啞鈴形的PCM結(jié)構(gòu)，將其加載到一款微帶天線的上方構(gòu)成超表面天線。超表面天線的反射系數(shù)帶寬得到展寬，增益得到提高，同時該天線的頻帶內(nèi)和頻帶外RCS均得到10.0 dB的縮減。文獻(xiàn)[15]設(shè)計了一款PCM結(jié)構(gòu)，將其覆蓋到一個縫隙天線的上方。加載超表面后，縫隙天線的輻射特性基本不變，同時該天線的頻帶內(nèi)RCS縮減了11.0 dB。

縫隙陣列天線結(jié)構(gòu)簡單、易于加工且成本較低。本文基于縫隙天線隱身的需求，首先設(shè)計了一款寬帶低RCS的PCM結(jié)構(gòu)，然后將該P(yáng)CM與一款縫隙陣列天線結(jié)合，以減小天線帶外的RCS。與現(xiàn)有的解決方案相比，該設(shè)計在2個方面做出了貢獻(xiàn)：① 超表面結(jié)構(gòu)簡單，且剖面較低;② PCM采用漸變L型枝節(jié)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展其工作帶寬，該單元極化轉(zhuǎn)換比(Polarization Conversion Ratio,PCR)[6]大于0.9的極化轉(zhuǎn)換帶寬為79.2%。

1 PCM的設(shè)計和分析

1.1 PCM單元的設(shè)計

設(shè)計的PCM單元基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 俯視圖

該結(jié)構(gòu)由一個漸變L型的金屬條帶、介質(zhì)基板和金屬反射板組成。介質(zhì)基板1#選用F4B(εr=2.65，tanδ=0.001，h2=0.17 mm)，空氣介質(zhì)的厚度為h1=2.83 mm。單元周期為P=6.0 mm，金屬條帶的長度和寬度分別為L1=4.4 mm，W1=0.5 mm，Ws1=0.2 mm，金屬條帶距離介質(zhì)基板邊緣的距離為d=0.1 mm。

PCM單元在HFSS中仿真優(yōu)化，在y極化波激勵下，PCM單元仿真的反射系數(shù)曲線如圖2。

圖2 PCM單元仿真的反射系數(shù)(y極化入射波)

在14.4～33.3 GHz頻率范圍內(nèi)，y極化入射波幾乎全部轉(zhuǎn)化為x極化的反射波，且Γxy的幅度值大于0.95。x極化入射波下，PCM單元的反射性能與y極化入射波下的性能相同，即在14.4～33.3 GHz頻率范圍內(nèi)，x極化入射波幾乎全部轉(zhuǎn)化為y極化的反射波，且Γyx的幅度值大于0.95。

PCM單元仿真的PCR曲線如圖3所示。該結(jié)構(gòu)PCR≥0.9的頻率為14.4～33.3 GHz。整個頻段內(nèi)，PCM單元的PCR均接近于1.0，說明入射波和反射波的極化百分之百地進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。

圖3 PCM單元仿真的PCR(y極化入射波)

1.2 PCM單元極化轉(zhuǎn)換原理分析

PCM單元的工作原理示意如圖4所示。

圖4 PCM單元工作原理示意

y極化入射波可分解為u和v極化2個分量，則入射電場表示為[6]：

Ei=auEiuejφu+avEivejφv。

(1)

同樣，反射電場表示為：

Er=auEru+avErv=

auΓuEiuejφu+avΓvEivejφv，

(2)

式中，Γu和Γv分別是u和v方向上的反射系數(shù)。由式(1)和式(2)可以推斷出當(dāng)Γu=Γv，同時2個方向上反射波的相位差滿足Δφ=180°時，y極化的入射波將轉(zhuǎn)換為x極化的反射波。

為進(jìn)一步解釋該現(xiàn)象，圖5給出了PCM單元在u和v極化垂直入射波下仿真的反射波的幅度和相位。2個方向上反射波幅度隨頻率變化的趨勢基本相同且幅度值接近1.0，然而其相位明顯不同，相位差接近180°±37°的頻率范圍為14.4～33.3 GHz。

圖5 PCM單元仿真的反射波的幅度和相位(u和v極化入射波)

2 寬帶低RCS棋盤PCM結(jié)構(gòu)設(shè)計

棋盤超表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 PCM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PCM結(jié)構(gòu)由14×14個周期單元旋轉(zhuǎn)排布組成，尺寸為84.0 mm×84.0 mm，其中每一個象限內(nèi)都包含按同一方向排布的7×7個周期單元，尺寸為42.0 mm×42.0 mm。RCS的定義表示為[17]：

(3)

為方便比較，同等大小的金屬平板作為參考結(jié)構(gòu)。因此，PCM結(jié)構(gòu)RCS縮減公式表示為：

10lg[1-PCR]。

(4)

由式(4)可以得出，PCM的RCS縮減性能由其單元的PCR性能決定。在垂直入射情況下，設(shè)計的PCM結(jié)構(gòu)和金屬平板隨頻率變化的單站RCS及RCS縮減曲線如圖7。

圖7 PCM結(jié)構(gòu)和金屬平板在垂直入射電磁波下仿真的單站RCS及RCS縮減(y極化入射波)

由圖7可以看出，在13.0～30.5 GHz頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)仿真的單站RCS明顯縮減了10.0 dB以上。

3 低RCS縫隙陣列天線設(shè)計

本文以縫隙陣列天線作為參考天線，將設(shè)計的PCM結(jié)構(gòu)加載到該天線的上方形成超表面天線，利用超表面的低RCS特性降低天線頻帶外的RCS。

3.1 超表面天線設(shè)計

PCM單元在y極化入射波下的傳輸系數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 PCM單元仿真的傳輸系數(shù)(y極化入射波)

由圖8可以看出，在5～40 GHz頻率范圍內(nèi)，PCM單元共極化傳輸系數(shù)均大于0.49，交叉極化傳輸系數(shù)均小于0.49，在該頻段內(nèi)，一部分y極化入射波傳輸為其交叉極化波。在5.5～7.0 GHz頻率范圍內(nèi)，PCM單元的傳輸系數(shù)均大于0.95，該頻段內(nèi)，大部分y極化入射波進(jìn)行傳輸，該結(jié)構(gòu)對天線的輻射性能影響較小。

參考天線為縫隙陣列天線，其結(jié)構(gòu)示意如圖9(a)所示，其介質(zhì)基板2#為Arlon AD430材料(εr=4.3，tanδ=0.003，h2=1.0 mm)，一個刻有2×2個H形縫隙的金屬平板印刷在介質(zhì)基板2#的上表面[18]。天線使用同軸電纜饋電，用于激勵x方向縫隙，該縫隙的長度為Lc1和Lc2，寬度為Wc1。y方向縫隙的長度為Lc3，寬度為Wc2。y方向縫隙的中心距離坐標(biāo)中心的距離分別為dx和dy。天線的尺寸為84.0 mm×84.0 mm，參數(shù)最終優(yōu)化的值為Lc1=14.0，Lc2=16.0，Wc1=4.0，Lc3=15.0，Wc2=3.0，dx=13.0，dy=15.0，單位均為mm。超表面天線結(jié)構(gòu)示意如圖9(b)所示，其中超表面與圖6的結(jié)構(gòu)保持一致，直接覆蓋在縫隙陣列天線上方，并將縫隙平面作為超表面的反射板。

(a) 參考天線 (b) 超表面天線

3.2 參考天線和超表面天線的輻射性能

為了驗證設(shè)計方法的正確性，對參考天線和超表面天線樣機(jī)分別進(jìn)行了加工和測試，天線樣機(jī)如圖10所示。圖11給出了參考天線和超表面天線仿真和測試的|S11|。可以看出，測試和仿真數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致。參考天線仿真的|S11|≤-10.0 dB的頻率為5.92～6.71 GHz，而超表面天線仿真的|S11|≤-10.0 dB的頻率為5.93～6.66 GHz。同時，參考天線和超表面天線測試的|S11|≤-10.0 dB的頻率分別為5.97～6.72 GHz和5.99～6.73 GHz。

(a) 參考天線

圖11 參考天線和超表面天線仿真和測試的|S11|

圖12給出了參考天線和超表面天線仿真和測試的增益。參考天線和超表面天線仿真的峰值增益分別約為10.3和10.8 dBi，其測試的峰值增益分別約為10.1和10.7 dBi。加載PCM結(jié)構(gòu)后，天線在低頻段的增益得到明顯改善。該現(xiàn)象主要原因是超表面的表面電流分布更加均勻，使得超表面天線在低頻段的等效口徑增大，從而該天線的增益得到增強(qiáng)。

圖12 參考天線和超表面天線仿真和測試的增益

圖13給出了參考天線和超表面天線在6.50 GHz時仿真和測試的歸一化輻射方向圖。可以看出，天線的輻射特性保持良好，主極化和交叉極化差值均大于25 dB。

(a) 參考天線

3.3 參考天線和超表面天線的散射性能

由3.2節(jié)可知，參考天線和超表面天線的輻射性能保持良好，本節(jié)對2款天線的散射性能進(jìn)行研究，此時保持天線端口連接匹配負(fù)載。電磁波沿垂直方向入射，2款天線仿真和測試的單站RCS縮減曲線如圖14所示。可以看出，對于x極化波，在13.2～28.6 GHz的頻率范圍內(nèi)，2款天線仿真的單站RCS縮減了10.0 dB以上，而對于y極化波，其RCS縮減10.0 dB以上的頻率范圍為12.9～29.3 GHz。該結(jié)果與PCM的RCS縮減的頻帶相吻合。對于x極化波，在13.4～30.5 GHz(78.0%)的頻率范圍內(nèi)，2款天線測試的單站RCS縮減了10.0 dB以上，而對于y極化波，其RCS縮減10.0 dB以上的頻率范圍為13.1～30.7 GHz(80.4%)。

(a) x極化波激勵

在20.0 GHz時，平面波垂直入射下，參考天線和超表面天線仿真的三維散射方向圖如圖15所示。

由圖15可以看出，當(dāng)電磁波沿+z方向垂直入射時，超表面天線的RCS明顯地得到降低。由于能量是守恒的，減小的能量轉(zhuǎn)移到了其他4個方向上。

(a) 參考天線x極化波

4 結(jié)束語

本文提出了一款寬帶低RCS的PCM設(shè)計。PCM單元在14.4～33.3 GHz(79.2%)頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了極化轉(zhuǎn)換，且其PCR大于0.9。基于棋盤布局的PCM結(jié)構(gòu)可以很好地應(yīng)用于RCS縮減中，同時在13.0～30.5 GHz(80.5%)范圍內(nèi)該棋盤超表面的RCS縮減值達(dá)到10.0 dB以上。在PCM結(jié)構(gòu)下方放置一款縫隙陣列天線得到了低RCS超表面天線。與參考天線相比，超表面天線的輻射性能保持良好，而天線的散射能量明顯地降低。在x極化波和y極化波垂直入射下，超表面天線的10.0 dB以上的 RCS縮減帶寬分別為78.0%和80.4%。