一种高增益低RCS微带天线设计

2024年3月6日发(作者：速录员)

一种高增益低RCS微带天线设计

丛丽丽;曹祥玉;李文强;赵一;宋涛

【摘 要】设计了一种基于人工电磁材料的覆层,并将其应用于微带天线.该覆层由介质板及其两侧的人工周期表面构成,上表面是加载集总电阻的方环贴片,具有宽带吸波特性;下表面是开条带缝和圆环缝的金属贴片,具有部分反射特性.将其加载到微带天线的上方,通过上层的吸波表面吸收入射电磁波并结合下层的部分反射表面与金属地板构成Fabry-Perot (F-P)谐振腔增强天线的定向性,以实现微带天线辐射和散射性能的改善.仿真和实测结果表明加载人工电磁材料覆层后,天线的RCS在2～14

GHz宽频带范围内实现了明显的减缩,最大减缩量达到28.3dB而天线的增益在工作频带内都得到了提升,最大提高了4.3 dB.

【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2015(016)002

【总页数】6页(P67-72)

【关键词】人工电磁材料;覆层;雷达散射截面;吸波;Fabry-Perot谐振腔

【作 者】丛丽丽;曹祥玉;李文强;赵一;宋涛

【作者单位】空军工程大学信息与导航学院,西安,710077;空军工程大学信息与导航学院,西安,710077;空军工程大学信息与导航学院,西安,710077;空军工程大学信息与导航学院,西安,710077;空军工程大学信息与导航学院,西安,710077

【正文语种】中 文

【中图分类】TN82

在电子战与信息战飞速发展的今天，隐身技术的优劣已经直接关系到作战平台的突防和生存能力。雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)，作为对目标隐身能力的一种度量，定量地反映了目标对电磁波反射能力的大小。为提升武器装备隐身性能，大幅度降低目标平台被敌方发现的概率，就要求尽量降低目标的RCS特征。随着现代隐身技术的快速发展，飞行器以及舰艇等平台的RCS已经得到了有效地减缩，但天线的RCS已成为制约战机平台总体隐身性能提高的重要瓶颈。天线作为一种特殊的散射体，在实现其RCS减缩的同时必须保证自身电磁波的正常发射和接收，因此，常规的RCS减缩方法(如低RCS外形设计[1]、雷达吸波材料技术[2-4]等，已不能简单地直接应用于天线设计中。

天线雷达散射截面减缩所面临的最大问题在于天线辐射性能与散射性能两方面的兼顾，如何实现天线只辐射和接收我方雷达波，不反射和散射敌方雷达波，这实际上是很难解决的一对矛盾。截至目前，仍然是通过某种折中设计在一定程度上实现RCS减缩的目的，没有根本解决天线辐射性能与隐身之间的矛盾。

人工电磁材料(Metamaterial，MTM)，是通过在一种介质中嵌入周期或非周期性金属、介质结构使其呈现出自然界材料所不具备的奇异电磁特性[5-7]。这些新奇的特性为低RCS天线的设计提供了一种新的技术途径。文献[6]通过采用频率选择表面(Frequency lective surfaces，FSS)，取代传统微带天线的金属接地板，利用其带内全反射(表现出全反射金属面特性)、带外全传输的特点，实现了天线带外后向RCS的减缩；文献[8]采用带通型频率选择表面(FSS)和极化选择表面(PSS)构成频率选择雷达天线罩，实现了带外RCS减缩；文献[9]基于Salisbury屏吸波原理，通过在同相反射表面加载电阻构成吸波材料，使其与天线共面实现带内天线RCS减缩,但是该方法破坏了天线的辐射环境，导致天线增益下降；文献[10]利用AMC与PEC反射波相位相反的特点，构造相位相消屏并用于波导缝隙天线，实现了天线带内鼻锥方向的RCS减缩；文献[11]提出了一种交叉缝隙的超薄完美吸波

体，并与波导缝隙天线共形设计，在-25°～+25°角度范围，天线RCS减缩均在5

dB以上，鼻锥方向的RCS减缩超过12 dB；文献[12]将mushroom-like EBG与天线制作于介质板的同一表面，利用EBG的同相反射特性实现EBG表面与天线的散射场对消，在天线工作频带内，其RCS峰值下降了8.2 dB，同时由于EBG结构的高阻表面特性，天线的互耦得到了抑制；文献[13～14]将部分反射表面(Partially reflecting surface，PRS) 引入天线覆层的设计，并与天线一体化改善了天线的性能。微带天线由于其体积小、低轮廓、易共形、电性能多样化等优点，在作战武器平台上有着广阔的应用前景[15]。

1.1 覆层结构设计与分析

本文设计的覆层单元结构见图1。单元周期为12 mm，上层是由加载集总电阻的方环贴片构成的吸波表面，环外边长L1=8 mm，环宽w2=1 mm，开口长w1=1

mm，方环贴片开口处加载集总电阻R=200Ω；中间层是FR4介质层，介电常数εr=4.4，电损耗正切tanδ=0.02，厚度t=3.5 mm；下层是由开条带缝和圆环缝的金属贴片构成的部分反射表面，中心圆环缝的外径为2.4 mm，内径为2.25

mm,四边缝隙长L2=6.8 mm，宽w=0.1 mm。对称的单元结构设计使得覆层天线罩对于不同角度入射的电磁波都具有较好的极化稳定性。

利用Ansoft HFSS 14.0软件中的Floquet端口和主从边界条件模拟无限周期结构，仿真模型见图2。电磁波由端口2入射时(方向-z到+z),2种极化情况下覆层反射层的频率响应曲线见图3(a)、(b)，从图中可以看出，对于x极化， 下层开缝隙表面的谐振频率为11.58 GHz，反射系数相位曲线的斜率在11.33～11.73 GHz的频率范围内都为正，反射系数模值均在0.8以上；对于y极化，下层开缝隙表面产生的谐振频率略向高频偏移，反射系数相位曲线的斜率在谐振频率附近仍然保持为正，反射系数模值均在0.82以上。由仿真结果可见，无论x极化还是y极化，覆层均具有较强的部分反射特性。

电磁波由端口1入射时(方向+z到-z)，2种极化情况下上层吸波表面的频率响应曲线和吸波率曲线见图4～5，从图中可以看出，对于x极化，在5.78～11.34 GHz的频带范围内，反射系数S11<-10 dB，透射系数S21<-10 dB，反射波和透射波都很小，由吸波率计算公式可知，在上述频段内吸波率都在81%以上；对于y极化，在5.78～11.53 GHz的频带范围内，反射系数S11<-10 dB，透射系数S21<-10 dB，在该频段内吸波率都在88%以上。仿真结果表明，上层表面在2种极化状态下都能在宽频带范围内吸收入射电磁波。

1.2 加载覆层后微带天线仿真性能分析

将上述设计的人工电磁材料覆层加于微带天线正上方，天线结构示意图和仿真模型示见图6。当天线的谐振频率和覆层的结构固定后，覆层的加载高度成为影响天线辐射性能和散射性能的最主要因素。其高度h可由式... 决定[15]，∠φ1和∠φ2分别为部分反射表面PRS和金属接地板的反射相位，εA为天线介质板的相对介电常数，d为天线介质板的厚度)，经过参数优化，最终选定加载的高度为h=12.9

mm。

图7分别给出了加载覆层前后天线的反射系数曲线和增益曲线对比。从图中可以看出，加载覆层后，天线的谐振频率向低频偏移，-10 dB阻抗带宽范围为11～12 GHz，较原始天线有所减小，由于下层的部分反射表面与金属地板构成Fabry-Perot (F-P)谐振腔，增大了天线的辐射口径，使得天线增益在10.93～11.93 GHz的频带范围内有所提高，最大提高了4.3 dB。

图8给出了加载覆层前后，天线在11.66 GHz处E面和H面方向图对比图。从图中可以看出，加载覆层后，天线的定向性得到了明显改善，增益有所提高。

为了分析天线的散射性能，分别用x极化和y极化的平面波照射加载覆层前后的天线。图9给出了加载覆层前后天线RCS曲线对比图。从图中可以看出，无论x极化还是y极化，天线在2～14 GHz的宽频带范围内均实现了RCS的有效减缩，

最大减缩量分别为26.7 dB和20.5 dB。仿真结果证明了加载覆层后的天线在x极化和y极化条件下都具有宽带的低RCS特性。

加工制作了人工电磁材料覆层和微带天线，为了减小一体化带来的影响采用塑料螺钉将天线固定在微带天线正上方，天线实物和实测配置图见图10。利用Agilent

N5230C矢量网络分析仪对加载覆层前后天线的S11进行了测试，测试结果见图11，从图中可以看出，原始天线以及加载覆层后的天线实测-10 dB阻抗带宽分别是10.8～12.5 GHz 和10.9～12 GHz，阻抗带宽较仿真结果均向低频有所偏移，这是由覆层加载高度与仿真有所偏差导致的。实测结果表明加载覆层后天线的谐振频率向低频偏移，带宽有所减小，与仿真结果一致，验证了设计的正确性。

选取加载覆层后天线的谐振点为测试频点，该频点处E面和H面方向图见图12。由实测结果可知，加载覆层后，天线E面和H面增益最大提高了3.9 dB和4.27

dB，实测结果验证了加载覆层后天线的定向性得到了提高，与仿真结果保持一致。

为验证天线RCS减缩性能，通过2个宽带喇叭天线，一个作为发射端，一个作为接收端，发射端的天线辐射电磁波照射到待测天线上，经天线散射后的电磁波由接收端的天线接收。图13给出了2～14 GHz频带范围内两种极化情况下加载覆层前后天线对于垂直入射波的反射损耗曲线，从图中可以看出，水平极化(对应仿真模型中x极化)情况下，待测天线在2～14 GHz的宽频带范围内均实现了RCS的有效减缩，其中，在4 GHz、6 GHz、11 GHz 3个频点处的减缩量分别为21.1

dB、22.7 dB、28.3 dB；垂直极化(对应仿真模型中y极化)情况下也有类似的RCS减缩效果，最大减缩量为24.1 dB。测试结果与仿真结果基本一致，验证了该天线具有宽带低RCS特性。

本文基于F-P谐振腔理论模型和电阻能量耗散吸波原理设计了一种基于人工电磁材料的覆层，通过合理设计覆层结构，使其上表面具有吸波特性，下表面具有部分反射特性，将其加载于微带天线正上方，有效地改善了微带天线的辐射特性和散射

特性。实测结果表明：加载覆层后的天线RCS在2～14 GHz的宽频带范围内得到了有效减缩，最大减缩量达到了28.3 dB，同时在天线工作频带内增益有所提高，最大提高4.3 dB，天线方向性得到增强。本文的研究对于兼顾微带天线的辐射和散射特性，在实现低RCS的同时实现天线的增益改善，增强天线的定向性有一定的借鉴作用。

*通信作者：曹祥玉 (1964-)，女，教授、博士生导师，主要从事天线与电磁兼容，电磁超材料，计算电磁学等研究.E-mail：****************

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