基于超材料吸波體的低雷達(dá)散射截面微帶天線設(shè)計(jì)*

楊歡歡 曹祥玉 高軍 劉濤 馬嘉俊 姚旭 李文強(qiáng)

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077)

(2012年7月19日收到;2012年10月22日收到修改稿)

1 引言

雷達(dá)吸波材料是有效吸收入射電磁波、顯著降低目標(biāo)回波強(qiáng)度的一類(lèi)功能材料，可以大幅降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(radar cross section，RCS)，從而提高其隱身性能.傳統(tǒng)的雷達(dá)吸波材料存在厚、重、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到了限制.因此，尋求和設(shè)計(jì)更適用的高性能吸波材料一直是材料學(xué)研究的熱點(diǎn).2002年，Engheta[1]基于超材料(metamaterial，MTM)的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以突破物質(zhì)本征自然規(guī)律限制的特征，首次提出由MTM獲得超薄吸收材料的思想，并用含損耗的頻率選擇表面 (frequency selective surface，F(xiàn)SS)加以實(shí)現(xiàn)，但設(shè)計(jì)方法煩瑣，很難推廣應(yīng)用.隨后，研究人員[2,3]又提出利用MTM的同相反射特性，通過(guò)在材料表面加載集總電阻實(shí)現(xiàn)了超薄吸波結(jié)構(gòu)，但其加工工藝復(fù)雜，也不利于實(shí)際應(yīng)用.2008年Landy等[4]基于MTM的電磁耦合諧振特性，首次提出了由電諧振器、損耗型介質(zhì)和金屬微帶線構(gòu)成的具有“完美”吸收特性的吸波體.與傳統(tǒng)吸波材料和文獻(xiàn)[1—3]設(shè)計(jì)的吸波體相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、超薄超輕、無(wú)表面損耗層且易實(shí)現(xiàn)紅外[5]及太赫茲頻段[6]吸波的特點(diǎn)，因此該類(lèi)吸波材料引起了科研人員的廣泛關(guān)注并積極展開(kāi)研究，各種極化不敏感[7-9]、寬入射角[10-12]、多頻段[13-15]和寬頻帶[16,17]的MTM吸波體不斷被提出，但對(duì)其應(yīng)用的研究相對(duì)較少.近來(lái)，文獻(xiàn)[18，19]指出此類(lèi)吸波體可以提高微帶天線的輻射性能，而吸波材料更常見(jiàn)的應(yīng)用在于改善目標(biāo)的散射性能，但已有文獻(xiàn)并沒(méi)有就該特性進(jìn)行分析.

天線的RCS減縮是目標(biāo)隱身技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，其難點(diǎn)在于減縮RCS的同時(shí)還必須保證天線最基本的輻射性能[20,21].對(duì)天線的帶外隱身，F(xiàn)SS雷達(dá)天線罩已經(jīng)可以很好地解決，但對(duì)天線帶內(nèi)隱身來(lái)說(shuō)，F(xiàn)SS卻不是一種有效的方法，因此解決天線帶內(nèi)隱身是當(dāng)前工程領(lǐng)域迫切的一項(xiàng)課題.基于以上背景，本文設(shè)計(jì)了一種厚0.3 mm的超材料吸波體，并將其加載于微帶天線周?chē)迷撐w高吸波率和無(wú)表面損耗層的特點(diǎn)，制備了一種兼有低帶內(nèi)RCS和良好輻射性能的微帶天線.仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明：將設(shè)計(jì)的具有良好吸波效果的吸波體加載于微帶天線后，天線的輻射性能保持不變，而其帶內(nèi)RCS在寬角域內(nèi)得到顯著降低.

2 超材料吸波體設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)，(b)分別為吸波體的正面、側(cè)面視圖.該吸波體由三層構(gòu)成：上層挖空的方形金屬片、底層的金屬背板及間隔的損耗介質(zhì)層.其中，金屬均為銅，電導(dǎo)率σ=5.8×107s/m，介質(zhì)層為FR4，介電常數(shù)εr=4.4，損耗角正切tanδ=0.02.單元周期W1=10 mm，金屬貼片邊長(zhǎng)W2=9.6 mm，挖去傾斜角為45°的方形邊長(zhǎng)W3=4.2 mm，介質(zhì)厚度h=0.3 mm(約為0.0057λ，λ是5.64 GHz對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)).上層的金屬片構(gòu)成電諧振器，并與底層的金屬背板形成磁諧振器.設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)，一是電、磁諧振器中心對(duì)稱(chēng)可以消除吸波的各向異性[22]，二是全金屬背板在保證透射率為零(即|S21|2=0)的同時(shí)簡(jiǎn)化了加工工藝.

圖1 超材料吸波體單元示意圖 (a)正視圖;(b)側(cè)視圖

圖2 吸波率隨入射角的變化

采用基于有限元法的軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真，得到TE和TM極化的入射波隨入射角變化對(duì)吸波率A(A=1-|S11|2-|S21|2=1-|S11|2)的影響，如圖2.可以看出，垂直入射時(shí)，吸波率大于50%的帶寬為210 MHz，在5.64 GHz達(dá)99.9%，入射角增大到60°時(shí)，雖然吸波率有所降低，但仍保持在85%以上，且對(duì)應(yīng)的頻率變化很小，尤其對(duì)TM極化吸波率曲線非常穩(wěn)定，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的吸波性能具有極化不敏感和寬入射角特性，因而可將其用于不同極化和寬角域的天線RCS減縮.

圖3 相對(duì)阻抗

吸波材料實(shí)現(xiàn)吸波必須具備兩個(gè)條件，即阻抗匹配和損耗特性.對(duì)于設(shè)計(jì)的吸波體，根據(jù)文獻(xiàn)[23]的結(jié)論，其相對(duì)阻抗z可由下式得到：

等效折射率n為

其中，k為波數(shù)，h為吸波體厚度.根據(jù)(1)式計(jì)算得到電磁波垂直入射時(shí)的相對(duì)阻抗如圖3，5.64 GHz時(shí)阻抗的實(shí)部近似為1，虛部接近為0，表明吸波體與自由空間實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配，因而使反射波很小.同時(shí)，吸波體底層連續(xù)的金屬薄膜保證了透射為零，這樣入射波只能被吸波體吸收.同樣由于S21=0，吸波體的等效折射率n(n=n1+in2)不能由(2)式直接計(jì)算求得，但折射率與散射參數(shù)之間滿足下式[13]：

由(3)式可知，為使等式右邊為0，折射率的虛部n2應(yīng)當(dāng)非常大，這就保證了電磁波在吸波體中傳輸時(shí)將被最大程度的吸收[13].

此外，圖4給出的吸波體在5.64 GHz的表面電流分布表明：入射電磁波的電場(chǎng)分量與上層貼片上下兩端的金屬臂產(chǎn)生了電諧振[19,24]，在外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，電荷沿水平方向諧振，電場(chǎng)主要集中在金屬環(huán)左右兩邊;入射電磁波的磁場(chǎng)分量穿透上層金屬，在上下兩層金屬之間產(chǎn)生垂直方向的磁諧振[15]，相應(yīng)地在上層金屬貼片的上下端及對(duì)應(yīng)的金屬底板上激發(fā)出反向平行的電流，電諧振和磁諧振同頻產(chǎn)生，使得吸波體能夠幾乎100%地吸收入射波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量[19].

圖4 電流分布圖 (a)金屬貼片;(b)金屬底板

圖5 吸波率實(shí)測(cè)仿真對(duì)比

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，利用電路板刻蝕技術(shù)制作了吸波體樣件，其實(shí)物如圖5中插圖，采用波導(dǎo)法[25]測(cè)試了其S11，并由公式A=1-|S11|2得到了吸波率.饋電波導(dǎo)采用C波段的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)(國(guó)標(biāo)型號(hào)：WJB-58)，寬邊長(zhǎng)40.4 mm，窄邊長(zhǎng)20.2 mm，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為Agilent N5230C.圖5對(duì)比給出了實(shí)測(cè)與仿真(設(shè)置與測(cè)試方法一致)的吸波率曲線，可以看出，兩者符合較好，證實(shí)了該吸波體確實(shí)有較好的吸波效果，可以用于天線的RCS減縮.

3 加載超材料吸波體減縮微帶天線RCS

微帶天線的散射包括結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射和模式項(xiàng)散射，加載超材料吸波體減縮天線帶內(nèi)RCS主要是減小其結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射(峰值常在天線法線方向).利用所設(shè)計(jì)吸波體的超薄特性，直接將吸波體敷貼在微帶天線的輻射貼片周?chē)⑴c貼片保持一定的距離，此時(shí)保證天線正常輻射，而入射到天線上的電磁波則被吸波體吸收.

3.1 天線的輻射性能

以普通的微帶天線為參考，加載吸波體后得到的設(shè)計(jì)天線如圖6所示.天線貼片尺寸為20 mm×15.4 mm，介質(zhì)板為聚四氟乙烯，介電常數(shù)為2.65，厚1 mm，天線整體尺寸為80 mm×80 mm，超材料吸波體的參數(shù)與上節(jié)中描述相同，吸波體的吸波頻帶覆蓋了天線的工作帶寬.

圖6 設(shè)計(jì)微帶天線實(shí)物圖

利用吸波材料減縮天線帶內(nèi)RCS的難點(diǎn)在于不降低天線輻射性能.圖7和圖8比較了加載吸波體前后天線輻射性能的仿真結(jié)果和用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent N5230C)及遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法測(cè)試的結(jié)果.從圖7看到，加載吸波體后微帶天線的反射系數(shù)基本沒(méi)有變化，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好.由于兩天線實(shí)測(cè)的諧振頻率都為5.66 GHz，圖8(a)，(b)比較了該頻點(diǎn)的輻射方向圖，可以看出，圖6的加載方式對(duì)天線方向圖幾乎沒(méi)有影響，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，其中略微的差異是由加工誤差和測(cè)試環(huán)境造成的.

圖7 天線的反射系數(shù)

圖8 天線的方向圖 (a)仿真;(b)實(shí)測(cè)

3.2 天線的散射性能

圖9(a)—(c)分別給出了TE和TM極化的平面波垂直入射和斜入射情況下天線法向的RCS.從圖中可知，垂直入射時(shí)，在5—6 GHz頻段內(nèi)，設(shè)計(jì)天線的RCS較參考天線均有減縮，兩種極化下RCS最大減縮分別達(dá)16.7 dB和14.3 dB，在5.58—5.73 GHz減縮均在3 dB以上;當(dāng)入射角θ分別為45°和60°時(shí)，對(duì)于TE極化，設(shè)計(jì)天線的RCS分別在5.6—5.89GHz和5.55—5.79GHz減縮超過(guò)3dB，對(duì)于TM極化，RCS減縮達(dá)3 dB以上的頻段分別為5.57—5.75 GHz和5.57—5.78 GHz.從以上結(jié)果看出，無(wú)論單站還是雙站RCS，其減縮頻帶都完全覆蓋了天線工作帶寬，且與超材料吸波體的吸波頻帶(5.58—5.73 GHz)一致，說(shuō)明RCS的減縮是由加載吸波體引起的.此外，天線對(duì)不同極化和斜入射波的RCS減縮結(jié)果同樣驗(yàn)證了設(shè)計(jì)吸波體的極化和角度穩(wěn)定性.

圖9 兩天線RCS隨頻率變化對(duì)比 (a)垂直入射;(b)TE極化斜入射;(c)TM極化斜入射

圖10(a)為T(mén)E和TM極化的平面波從不同角度入射時(shí)，天線在5.66 GHz的單站RCS曲線，可以看出，兩種極化下設(shè)計(jì)天線較參考天線RCS減縮最大分別達(dá)14.1 dB和13.2 dB，且在-30°—+30°角域減縮均超過(guò)3 dB.圖10(b)是在5.66 GHz不同極化的平面波垂直入射時(shí)，天線在各個(gè)角度的RCS，可以看到，在-90°—+90°角域，設(shè)計(jì)天線的RCS均低于參考天線.單站和雙站RCS隨角度變化的結(jié)果表明：設(shè)計(jì)天線在較寬角域內(nèi)保持了低RCS特性，法向的RCS峰值得到顯著降低.這一結(jié)果也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)吸波體的寬入射角和高吸波率特性.

圖10 兩天線RCS隨角度變化對(duì)比 (a)單站;(b)雙站

為證實(shí)吸波體對(duì)天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射的減小效果，對(duì)加工的參考天線和設(shè)計(jì)天線均加載了匹配負(fù)載，在開(kāi)放的空間中，用工作頻段為4.90—7.05 GHz的喇叭天線分別照射加載后的兩天線，并通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230C觀察電磁波垂直入射時(shí)天線的反射率.由于天線整體尺寸較小，考慮到測(cè)量系統(tǒng)精度，把待測(cè)天線放置在距喇叭天線0.6 m處，此時(shí)入射波可近似看作平面波.從圖11中的測(cè)量結(jié)果看到，加載吸波體后天線的反射率在5.56—5.75 GHz下降達(dá)3 dB以上，下降最大達(dá)10.6 dB，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真得到的天線RCS減縮效果基本一致.圖中曲線的抖動(dòng)主要是由測(cè)試條件的不完備造成的.

圖11 反射率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種極化穩(wěn)定、寬入射角的超材料吸波體，并利用其超薄、高吸波率和無(wú)表面損耗層的特點(diǎn)，提出將該吸波體用于微帶天線的帶內(nèi)RCS減縮.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的吸波體厚度僅為0.3 mm，吸波率高達(dá)99.9%，與普通微帶天線相比，加載該吸波體后的天線輻射性能保持不變，而其帶內(nèi)RCS對(duì)不同極化的入射波在較寬角域內(nèi)都有較好的減縮效果，這對(duì)研究微帶天線帶內(nèi)RCS減縮具有重要的參考價(jià)值.此外，由于直接將超薄的超材料吸波體敷貼在天線周?chē)恍鑼?duì)現(xiàn)有天線結(jié)構(gòu)做任何改動(dòng)，因而該結(jié)構(gòu)具有較好的工程實(shí)用性.但同時(shí)也看到，本文設(shè)計(jì)的吸波體帶寬還較窄，未來(lái)的研究將集中于增加其吸波帶寬，以實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶天線的帶內(nèi)RCS減縮.

[1]Engheta N 2002 IEEE Trans.Anten.and Propag.Society(AP2S)Int.Symp.and USNC/URSI National Radio Science Meeting San Antonio，TX，USA 2012 p16

[2]Li Y Q，Zhang H，F(xiàn)u Y Q，Yuan N C 2008 IEEE Anten.Wirel.Propag.Lett.7 473

[3]Fillippo C，Agostino M，Giuliano M 2010 IEEE Trans.Anten.Propag.58 1551

[4]Landy N I，Sajuyigbe S，Mock J J，Smith D R，Padilla W J 2008 Phys.Rev.Lett.100 207402

[5]Liu N，Mesh M，Weiss T，Hentschel M，Giessen H 2010 Nano Lett.10 2342

[6]Gu C，Qu S B，Pei Z B，Zhou H，Wang J F 2010 Prog.Electromag.Res.Lett.17 171

[7]Landy N I，Bingham C M，Tyler T，Jokerst N，Smith D R，Padilla W J 2009 Phys.Rev.B 79 125104

[8]Gu C，Qu S B，Pei Z B，Xu Z，Ma H，Lin B Q，Bai P，Peng W D 2011 Acta Phys.Sin.60 107801(in Chinese)[顧超，屈紹波，裴志斌，徐卓，馬華，林寶勤，柏鵬，彭衛(wèi)東2011物理學(xué)報(bào)60 107801]

[9]Lee J Y，Yoon Y J，Lim S J 2012 ETRI Journal 34 126

[10]Marcus D，Thomas K，Soukoulis C M 2009 Phys.Rev.B 79 033101

[11]Luukkonen O，F(xiàn)ilippo C，Agostino M，Sergei A T 2009 IEEE Trans.Anten.Propag.57 3119

[12]Wang B N，Koschny T，Soukoulis C M 2010 Phys.Opt.24 1

[13]He X J，Wang Y，Wang J M，Gui T L 2011 Prog.Electromag.Res.115 381

[14]Li H，Yuan L H，Zhou B，Shen X P，Cheng Q，Cui T J 2011 J.Appl.Phys.110 014909

[15]Shen X P，Cui T J，Ye J X 2012 Acta Phys.Sin.61 058101(in Chinese)[沈曉鵬，崔鐵軍，葉建祥2012物理學(xué)報(bào)61 058101]

[16]Lee J，Lim S 2011 Electron.Lett.47 8

[17]Cheng Y Z，Nie Y，Gong R Z，Zheng D H，F(xiàn)an Y N，Xiong X，Wang X 2012 Acta Phys.Sin.61 134102(in Chinese)[程用志，聶彥，龔榮洲，鄭棟浩，范越農(nóng)，熊炫，王鮮2012物理學(xué)報(bào)61 134102]

[18]Zhu Z K，Luo C R，Zhao X P 2009 Acta Phys.Sin.58 6152(in Chinese)[朱忠奎，羅春榮，趙曉鵬2009物理學(xué)報(bào)58 6152]

[19]Bao S，Luo C R，Zhao X P 2011 Acta Phys.Sin.60 014101(in Chinese)[保石，羅春榮，趙曉鵬2011物理學(xué)報(bào)60 014101]

[20]Liu T，Cao X Y，Gao J，Zheng Q Y，Li W Q 2012 Acta Phys.Sin.61 184101(in Chinese)[劉濤，曹祥玉，高軍，鄭秋容，李文強(qiáng)2012物理學(xué)報(bào)61 184101]

[21]Simone G，F(xiàn)ilippo C，Agostino M 2012 IEEE Trans.Anten.Propag.60 2327

[22]Padilla W J，Aronsson M T，Highstrete C 2007 Phys.Rev.B 75 1102

[23]Smith D R，Vier D C，Koschny T，Soukoulis C M 2005 Phys.Rev.E 71 036617

[24]Zhu W R，Zhao X P，Bao S，Zhang Y P 2010 Chin.Phys.Lett.27 014204

[25]Li L，Yang Y，Liang C H 2011 J.Appl.Phys.110 063702