一種采用吸波透波超表面的天線RCS 寬帶減縮新方法

馬于惠 劉璐 賈帥宇 王祎昊 李妍

（西北大學信息科學與技術學院，西安 710127）

引 言

隨著雷達探測以及各國反導、反艦等系統的愈發成熟，隱身技術的研發對于各類武器系統的生存能力影響越來越大. 隱身技術的一個重要指標就是雷達散射截面(radar cross section，RCS)[1]，其是指目標物體被電磁波照射時，在某一方向上返回散射功率的量度，它是表征物體散射特性的重要指標. RCS與目標本身的結構參數有關，也與入射波的電磁基本特性如頻率、極化、入射角等相關. 同時，天線作為一種特殊的散射體，其本身具有發射和接收電磁波的能力，但為了保證自身良好的輻射性能，常規的目標隱身方式無法直接用于天線的RCS 減縮. 目前目標平臺的散射控制技術已經非常成熟，但相比于目標平臺，置于其上天線的RCS 問題逐漸凸顯，最終天線的RCS 水平成為目標平臺整體隱身性能好壞的一個重要因素.

目前，RCS 減縮的主要手段一般包括外形設計、涂敷吸波材料、有源及無源對消等[2-4]. 與此同時，針對天線RCS 減縮的特殊性，超材料技術逐漸被引入天線RCS 減縮中[5-7]，常見的用于天線RCS 減縮的超材料有頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)、電磁帶隙(electromagnetic band gap, EBG)結構、超材料吸波體(metamaterials absorber, MA)等. FSS結構常被用于天線的反射板來降低天線的RCS，而這種方式只能針對天線工作頻帶之外的帶外RCS 減縮[5]. 由于EBG 結構本身帶寬的限制，它的使用一般只能針對窄帶RCS 減縮[8]. MA 也被稱作結構型吸波材料，近年來也越來越多地被用于天線的RCS 減縮中，然而一般的MA 結構用于天線的RCS 減縮主要是將MA 結構置于天線的四周，或置于陣列天線單元之間，這種方式無疑會嚴重增加天線系統的整體尺寸且會影響天線的輻射特性[9]. 同時，MA 結構的吸波帶寬也是限制它在天線RCS 減縮當中進一步應用的一個阻礙因素.

為此，有國外學者提出將氮化鉭材料用于MA結構設計中，將傳統MA 結構中的周期性金屬貼片用氮化鉭材料置換，利用氮化鉭材料的半導體特性，可以極大地增加MA 結構的吸波帶寬. 文獻[10]就采用了一種基于氮化鉭材料的寬頻帶吸波材料，并將這種結構用于微帶縫隙天線的RCS 減縮中，使得天線的單站RCS 在2～18 GHz 的超寬頻帶范圍內均有明顯的減縮. 文獻[11]也將這種采用具有阻抗特性材料作為周期性材料構成的MA 結構用于微帶貼片天線的RCS 減縮，最終減縮帶寬可達4～22 GHz.盡管這種手段解決了MA 結構的寬頻吸波問題，但對于天線的增益也會造成巨大的損失，如文獻[11]中天線的增益下降了1 dB.

據此，本文對于基于氮化鉭材料的超表面問題進行了研究. 氮化鉭MA 結構在介質板的另一側需要金屬板，這里考慮采用帶通型FSS 代替原氮化鉭MA 結構的金屬板. 在FSS 的通帶之外也就是阻帶的較寬頻率范圍內，FSS 仍可以被看作金屬板，且氮化鉭MA 結構的吸波特性能夠保留. 而在FSS 的通帶范圍內，電磁波可以正常通過，并無任何吸波特性.本文將這種具有特殊吸波與透波特性的超表面簡稱為吸波/透波(absorptive/transmissive，A/T)超表面，并將A/T 超表面作為微帶天線的覆層使用，稱這種應用方式下的A/T 超表面為A/T 覆層. 將A/T 覆層中氮化鉭MA 結構的一側朝向外部空間，而將FSS 結構一側朝向天線，并使得天線的工作頻帶和FSS 的通帶相重合. 最終，當天線工作時，由天線輻射出的電磁波可以毫無阻礙地穿過覆層，而由外部空間照射至天線的電磁波在工作頻帶之外的部分均被上層的氮化鉭MA 結構吸收，從而完美地實現了天線的超寬帶、帶外RCS 減縮，且天線的輻射特性得以保留. 結果表明：在保證天線輻射特性的基礎上，微帶天線的RCS 減縮頻帶范圍可達5～19 GHz，最大減縮量可達20 dB 以上；同時，天線的單、雙站RCS 在較寬的角度范圍內也得到明顯的縮減.

1 A/T 覆層的設計與分析

A/T 覆層超表面由上層的周期性氮化鉭結構以及下層的FSS 結構組成，在對這種復合結構進行分析之前，首先需要對兩種結構單獨進行仿真，通過對這兩種不同結構的A/T 特性進行仿真分析，來幫助我們對所提出的A/T 覆層超表面的原理進行解釋與分析.

首先給出基于氮化鉭材料的結構型吸波材料仿真實例. 氮化鉭為黑色六方結晶，相對密度為13.4，熔點為3 090 ℃，顯微硬度為1 100 kg/mm2，電阻率為128 μΩ·cm. 氮化鉭材料是一種用來制造精確片狀電阻的材料，具有可抵抗水汽侵蝕的特性. 也可用作超硬質材料添加劑，用于噴涂，增加變壓器、集成線路、二極管的電穩定性. 本文所有的仿真過程均采用Ansys 公司的HFSS15 軟件進行. 圖1 所示為氮化鉭材料隨厚度變化時的吸波特性曲線. 可以看出，氮化鉭材料本身是不具備吸波特性的，而隨著厚度增大，其特性愈加趨向于全反射. 因此，氮化鉭材料無法直接用作吸波材料設計，將氮化鉭材料周期性排布并進行單元設計是十分必要的.

圖1 氮化鉭材料吸波特性曲線Fig. 1 The absorber characteristic curve of the tantalum nitride

圖2 所示為采用氮化鉭材料置換普通金屬貼片后MA 的結構示意圖. 氮化鉭MA 采用Teflon介質板，介質板介電常數為2.2，正切損耗角為0.000 9，介質厚度為2 mm. 上層由周期性排布的氮化鉭材料構成，材料的導電率為7 400 S/m，下層為金屬板.

圖2 氮化鉭MA 結構示意圖Fig. 2 The configuration of the tantalum nitride MA unit

圖3 給出了氮化鉭MA 結構的反射系數隨頻率變化曲線. 可以看出，在7～22 GHz 頻帶范圍S11均低于-5 dB，說明這種基于氮化鉭材料的MA 結構能夠實現寬頻帶吸波. 為了實現本文所提出的A/T 超表面特性，這里又設計了一款帶通型FSS. 圖4 所示為帶通型FSS 結構示意圖，由于最終要用FSS 結構置換氮化鉭MA 的金屬板，因此FSS 在仿真中使用與氮化鉭MA 結構相同的介質板.

圖3 氮化鉭MA 結構反射系數曲線Fig. 3 The S11 of the tantalum nitride MA structure

圖4 帶通型FSS 結構示意圖Fig. 4 The configuration of the band-pass FSS unit

圖5 給出了FSS 的S 參數隨頻率變化曲線. 可以看出，FSS 結構在3.6 GHz 左右產生一組通帶，若天線工作頻帶與FSS 結構的通帶重合，則天線輻射的電磁波能夠順利穿過FSS 結構. 因此，本文微帶天線實例的工作中心頻點為3.6 GHz. 由以上分析可知，當氮化鉭MA 結構采用金屬板時能夠實現7～22 GHz 的寬頻帶吸波效果，而所給出的FSS 結構能夠將天線的工作頻帶與通帶重合. 若將FSS 結構置換氮化鉭MA 結構的金屬板，則在天線的工作頻帶范圍內，由于FSS 的帶通特性，天線輻射的電磁波能夠順利穿過覆層. 在天線的工作頻帶范圍外，FSS 結構可以被當作金屬反射板，則氮化鉭MA 結構可以正常工作. 因此當天線工作時，由天線輻射出的電磁波可以毫無阻礙地穿過覆層，而由外部空間照射至天線的電磁波在工作頻帶之外的部分均被上層的氮化鉭MA 結構吸收. 為了驗證此理論，本文將氮化鉭MA 結構與FSS 結構相結合構成A/T 覆層超表面.圖6 所示為A/T 超表面單元的結構示意圖，A/T 覆層的介質板參數與氮化鉭MA 結構所使用的介質板相同.

圖5 FSS 的S 參數隨頻率變化曲線Fig. 5 The S parameters of the FSS vs. frequencies

圖6 A/T 超表面單元結構示意圖Fig. 6 The configuration of the A/T metasurface unit

圖7 給出了A/T 超表面單元的S 參數隨頻率變化曲線，實線為電磁波照射至A/T 超表面時的反射系數S11，虛線為下方天線輻射的電磁波穿過A/T 超表面的透射系數S12. 仿真時端口1 朝向氮化鉭結構一側，端口2 朝向FSS 結構一側. 所采用入射波激勵為TM 極化，由于所設計單元為非對稱結構，因此對于TE 極化效果并不明顯. 與前面所給出的FSS 結構的結果類似，A/T 超表面能夠在3.6 GHz 左右產生一組通帶，與天線的工作頻帶重合. 說明A/T 超表面作為天線覆層時并未對天線輻射的電磁波產生阻礙，天線輻射的電磁波能夠順利穿過FSS 結構. 而對于外部空間照射至A/T 超表面的電磁波，在7～20 GHz左右反射系數基本低于-5 dB. 其中反射系數的一些峰值是由于FSS 結構中除了3.6 GHz 的通帶之外還存在高次模所造成，但基本能夠保證天線覆層在除天線工作頻帶外的較寬頻帶范圍內對入射波的吸收作用.

圖7 A/T 超表面單元S 參數隨頻率變化曲線Fig. 7 The S parameters of the A/T metasurface vs.frequencies

2 A/T 覆層在天線RCS 減縮中的應用

§1 對A/T 超表面進行了仿真分析，本節針對之前給出的A/T 超表面模型，將其作為天線覆層置于微帶天線的上方，對使用覆層前后Y 微帶天線的輻射散射特性進行分析. 圖8所示為微帶天線的結構圖以及使用A/T 覆層后的天線結構示意圖. 微帶天線中金屬輻射貼片的尺寸為27 mm×25.9 mm，介質板尺 寸 為58.8 mm×58.8 mm×2 mm. 介 質 板 仍 采 用Teflon 板，介電常數為2.2，正切損耗角為0.000 9. 天線饋電采取底饋方式，饋電點距離微帶貼片中心距離為4.5 mm，覆層距天線表面18 mm.

圖8 使用A/T 覆層的微帶天線結構示意圖Fig. 8 The configuration of the microstrip antenna with A/T superstrate

首先對天線的輻射特性進行仿真驗證，圖9 所示為使用覆層前后天線的S11曲線. 可以看出，天線的中心工作頻點為3.6 GHz，且使用覆層前后天線的S11基本保持不變. 圖10 所示為使用A/T 覆層前后微帶天線的輻射方向圖主極化與交叉極化曲線. 可以看出，使用A/T 覆層后微帶天線的輻射方向圖與使用覆層前相比吻合良好，且增益提高了約1.1 dB. 還可以看出，與一般的RCS 減縮技術相比，本文所提出的方法不但沒有出現增益的損失還能夠小幅提高天線的增益. 其主要原因是，由于天線上方覆層的存在，使得覆層和天線之間產生了Fabry-Perot 諧振效應，起到了一定的波束匯聚作用[2,12]，從而增加了天線的增益. 由以上分析可得，在天線的工作頻帶內，使用A/T 覆層能夠最大限度地保證天線的輻射性能.

圖9 使用A/T 覆層前后天線S11 曲線Fig. 9 The S11 of the antenna with and without A/T superstrate

圖10 使用A/T 覆層前后天線輻射方向圖(3.6 GHz)Fig. 10 The radiation pattern of the antenna with and without A/T superstrate(3.6 GHz)

為了驗證使用A/T 覆層的RCS 減縮效果，下面對使用A/T 覆層前后微帶天線的單站RCS 進行仿真. 設置入射波沿天線表面的法線方向垂直于天線照射，入射波極化為θ 極化，天線的單站RCS 隨頻率變化曲線如圖11 所示. 可以看出，使用A/T 覆層后，微帶天線的單站RCS 在5～19 GHz 頻段范圍內均有不同程度的縮減，其中在15.4 GHz 時，最大縮減量可達20 dB. 而在9.5 GHz等幾個頻點所出現的峰值同樣是由FSS 結構的高次模造成的，但基本不影響天線在整個頻帶范圍內實現寬頻RCS 減縮. 說明將A/T 覆層置于天線上方用于天線RCS 減縮的方法是有效可行的.

圖11 使用A/T 覆層前后單站RCS 隨頻率變化曲線Fig. 11 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate

圖12 及圖13 給出了不同頻率處使用A/T 覆層前后微帶天線的單站RCS 隨入射波入射角變化的仿真曲線，入射波極化均為θ 極化. 由圖12 可知：使用A/T 覆層時，天線xoz面的RCS 減縮區間為-15°≤θ≤15°、40°≤θ≤90°以及-90°≤θ≤-40°，最大減縮量可達10 dB 以上；yoz面的RCS 減縮區間為-10°≤θ≤10°、40°≤θ≤90°以 及-90°≤θ≤-40°. 由圖13 可知，xoz面與yoz面上的微帶天線單站RCS 均有不同程度縮減，減縮區間為-40°≤θ≤40°、70°≤θ≤90°以及-90°≤θ≤-70°. 由此可得，微帶天線使用A/T 覆層后，天線的單站RCS 在一定角度范圍內均有明顯降低.

圖12 使用A/T 覆層前后天線單站RCS 隨入射波入射角變化曲線(8.5 GHz)Fig. 12 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(8.5 GHz)

圖13 使用A/T 覆層前后天線單站RCS 隨入射波入射角變化曲線(15.5 GHz)Fig. 13 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(15.5 GHz)

對應于雙站RCS 的角度變化曲線，圖14、圖15給出了不同頻率處使用A/T 覆層前后微帶天線的雙站RCS 隨入射波入射角度變化曲線. 入射波垂直于天線入射，極化方式為θ 極化. 由圖14 可知：使用A/T 覆層時，天線xoz面的雙站RCS 在天線的整個上方空間實現了全角域的RCS 減縮，最大減縮量可達10 dB 以上；yoz面上雙站RCS 的減縮區間為-50°≤θ≤50°. 由 圖15 可 知：xoz面 上 微 帶 天 線 的 雙 站RCS 減縮區間為-45°≤θ≤45°；yoz面上天線的雙站RCS 減 縮 區 間 為-30°≤θ≤30°. 由 天 線 的 雙 站RCS 隨角度的變化曲線可以進一步說明，微帶天線使用A/T 覆層后，天線的總體RCS 在一定角度范圍內均有明顯降低，具有良好的工程應用價值.

圖14 使用A/T 覆層前后天線雙站RCS 隨入射波入射角變化曲線(8.5 GHz)Fig. 14 The comparison of the bistatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(8.5 GHz)

圖15 使用A/T 覆層前后天線雙站RCS 隨入射波入射角變化曲線(15.5 GHz)Fig. 15 The comparison of the binostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(15.5 GHz)

3 結 論

本文提出一種采用A/T 超表面用以天線覆層，利用覆層對于不同方向電磁波入射時所呈現的不同電磁特性，最終實現了微帶天線的寬帶RCS 減縮. 相比于現有文獻，本文所提出的方法可最大限度地保留天線輻射性能的前提下，實現天線的超寬帶、帶外RCS 減縮. 研究結果可為國防機載彈載天線的RCS 控制領域提供技術支持，還可與材料學科領域交叉，提升吸波特性與帶寬.