阻抗型FSS在陣列天線RCS減縮中的應(yīng)用

王 帆,龔書喜,王夫蔚

(西安電子科技大學天線與微波技術(shù)重點實驗室,陜西西安 710071)

阻抗型FSS在陣列天線RCS減縮中的應(yīng)用

王 帆,龔書喜,王夫蔚

(西安電子科技大學天線與微波技術(shù)重點實驗室,陜西西安 710071)

設(shè)計了一種環(huán)狀阻抗型頻率選擇表面吸波結(jié)構(gòu),并對其單元的電磁特性進行了詳細分析.在此基礎(chǔ)上將該阻抗型頻率選擇表面吸波結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微帶陣列天線雷達散射截面的減縮中.阻抗型頻率選擇表面結(jié)構(gòu)由周期排列的頻率選擇表面單元組成,每個單元均由3個阻抗環(huán)構(gòu)成,陣列天線為2×2的微帶貼片天線陣,并將阻抗性頻率選擇表面結(jié)構(gòu)排列在陣列天線單元之間.仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)可在6～22 GHz頻段內(nèi)表現(xiàn)出良好的吸波特性.將其加載于微帶陣列天線時,對天線的輻射特性產(chǎn)生的影響較小,且天線的單站雷達散射截面減縮效果明顯,最大減縮量可達27 dB,實現(xiàn)了寬帶、寬角域的天線雷達散射截面減縮.

阻抗型頻率選擇表面;雷達散射截面減縮;微帶陣列天線

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,探測技術(shù)及手段的逐漸進步,對隱身技術(shù)提出的要求也越來越高.雷達散射截面(Radar Cross Section,RCS)是隱身和反隱身技術(shù)中表征目標可識別特性的一個最基本的參數(shù).阻抗型頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)在陣列天線RCS減縮中的應(yīng)用一般用來衡量雷達目標的反射能量.隨著隱身和反隱身技術(shù)的飛速發(fā)展,如何降低RCS作為軍事領(lǐng)域的重要問題,已經(jīng)受到越來越多的學者關(guān)注.同時,天線作為低可見平臺上主要的RCS貢獻源,其RCS減縮問題也變得尤為重要[1-3].

人工電磁材料作為RCS減縮的一種有效的方法,發(fā)展也十分迅速.現(xiàn)有的人工電磁材料包括FSS[4-6]、高阻抗表面(High Impedance Surface,HIS)[7]、結(jié)構(gòu)性吸波材料(structural Radar-Absorbing Material, RAM)[8-9]和左手材料(Left-Handed Metamaterials,LHM)[10]等.對于吸波材料,良好的吸波性能、寬的吸波帶寬以及厚度之間很難做到統(tǒng)一.因此,區(qū)別于一般由金屬構(gòu)成人工材料的基本單元.具有阻抗特性的FSS可實現(xiàn)超寬帶,并且有降低介質(zhì)厚度的效果[11],但同時也提高了加工難度以及生產(chǎn)成本.文獻[12]將整個吸波層替換為阻抗型的FSS層,展寬了其S11的帶寬,并且使材料的厚度小于λ/4.

微帶天線由于其本身低剖面、低成本、便于加工等特點,在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛,同時,微帶天線的RCS減縮問題,也受到很多學者的關(guān)注,取得了巨大的進展.在微帶天線上加載FSS結(jié)構(gòu)就是一種有效的減縮RCS的方法,但是減縮的帶寬一般較窄,對于寬帶RCS減縮方面,FSS卻少有應(yīng)用.筆者在文獻[12]中材料的基礎(chǔ)上加以改進,并將其加載于微帶陣列天線上,用來減縮其RCS.并分析了阻抗型FSS結(jié)構(gòu)的基本特性,將其應(yīng)用于微帶天線的RCS減縮中.結(jié)果顯示,阻抗型FSS結(jié)構(gòu)在6～22 GHz對微帶陣列天線的RCS有明顯的減縮效果.在±45°的角域內(nèi),對天線的RCS均有較好的縮減效果,最大減縮量可達27 dB,與此同時,天線的輻射特性基本保留.因此,這種阻抗型FSS結(jié)構(gòu)可在一定角域內(nèi)實現(xiàn)天線的寬帶RCS減縮.

1　阻抗型FSS結(jié)構(gòu)單元及其電磁特性分析

阻抗型FSS結(jié)構(gòu)單元如圖1(a)所示,共由3部分組成:最上層的3個同心方環(huán)阻抗型貼片、中間層的介質(zhì)以及接地板.以下對于此種結(jié)構(gòu)的吸波特性進行詳細分析,文中所有結(jié)果均用Ansoft高頻結(jié)構(gòu)仿真(High Frequency Structure Simulation,HFSS)軟件得出.

圖1　阻抗型FSS的單元模型以及吸波特性

單元周期D=7 mm,介質(zhì)厚度T=3 mm,介電常數(shù)εr=2.2,外環(huán)外徑L=6 m m.3個環(huán)阻值均為45Ω.外環(huán)寬度w1=0.5 mm,外環(huán)與中環(huán)間距s1=0.5 mm,中環(huán)寬度w2=0.5 mm,中環(huán)與內(nèi)環(huán)間距s2=0.4 mm,內(nèi)環(huán)寬度w3=0.5 mm.

分別對單環(huán)、雙環(huán)以及三環(huán)結(jié)構(gòu)進行仿真得出其吸波性能,如圖1(b)所示.可以看出,單環(huán)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的兩個較窄的頻段(6.8～8.8 GHz以及19.6～26.0 GHz)內(nèi)均有較好的吸波特性;二環(huán)結(jié)構(gòu)中間部分以及低頻段(6.7～10.2 GHz)吸波特性有所提升,但是所呈現(xiàn)的帶寬較窄;三環(huán)結(jié)構(gòu)中,中部頻帶的反射系數(shù)已經(jīng)接近-10 dB,呈現(xiàn)出寬帶的吸波性能的可能.

圖2　經(jīng)改進后的單元結(jié)構(gòu)示意圖以及與三環(huán)結(jié)構(gòu)的吸波特性對比圖

文中在三環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改進,使其達到寬帶化的目的.經(jīng)過改進后的FSS結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示.圖2中,連接外環(huán)與中環(huán)的貼片寬度為w1,連接中環(huán)與內(nèi)環(huán)的貼片寬度為w2.仿真結(jié)果如圖2(b)所示.表1給出了不同結(jié)構(gòu)下的帶寬以及吸波深度.可以看出,經(jīng)過改進后的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的吸波性能以及更寬的帶寬.

表1　帶寬以及吸波深度統(tǒng)計

當入射波角度分別在θ=0°、θ=15°、θ=30°及θ=45°時,對改進后的阻抗型FSS結(jié)構(gòu)進行仿真,分析其吸波特性的變化,得到如圖3所示的結(jié)果.可以看出,這種經(jīng)過改進的環(huán)形阻抗型FSS結(jié)構(gòu),在入射波垂直入射時吸波性能最好,當入射波角度慢慢變大時,吸波能力會逐漸下降.

圖3　入射角度不同時改進后的阻抗型FSS結(jié)構(gòu)吸波特性變化

2　阻抗型FSS結(jié)構(gòu)在微帶天線RCS減縮中的應(yīng)用

2.1阻抗型FSS結(jié)構(gòu)加載對微帶陣列天線輻射特性的影響

上節(jié)介紹了一種阻抗型FSS結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在入射波垂直入射時有較好的寬帶吸波特性.因此,將這種結(jié)構(gòu)加載于微帶陣列天線上,可有效降低天線的RCS.陣列天線采用2×2的陣列,天線模型以及加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)后的模型如圖4所示.天線陣列單元尺寸l×w=11.2 mm×10.4 mm,介質(zhì)板介電常數(shù)εr=2.2,整體尺寸L×L×h=94.8 mm×94.8 mm×3.0 mm,阻抗型FSS單元間距a=1 mm.

圖4　陣列天線以及阻抗型FSS結(jié)構(gòu)加載于天線陣列上的示意圖

通過HFSS仿真得到天線以及加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)后天線的反射系數(shù)如圖5(a)所示,微帶陣列天線諧振于8.6 GHz,加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)后諧振頻率有略微偏移,但基本保持不變,S11也有少部分的損失.圖5 (b)及圖5(c)給出了加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)前后微帶陣列天線的增益方向圖變化.可以看出,增益方向圖變化不大,主瓣增益從11.5 dB降低到10.5 dB.因此,加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)并未對微帶陣列天線的輻射特性造成太大的影響.

圖5　加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)前后微帶陣列天線的反射系數(shù)以及方向圖

2.2阻抗型FSS結(jié)構(gòu)加載對微帶陣列天線散射特性的影響

這里對微帶陣列天線的散射特性進行分析,采用2.1節(jié)所用的模型.首先分析當入射波垂直入射時,阻抗型FSS結(jié)構(gòu)對微帶陣列天線RCS對頻率變化的影響,如圖6所示.可以看出,在加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)后,微帶陣列天線的RCS從6 GHz到22 GHz均有明顯的減縮,最大處減縮了25 dB.由此說明,用此阻抗型FSS結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬帶的天線RCS減縮是可行的.

圖6　加載阻抗型FSS結(jié)構(gòu)前后微帶天線頻域以及角域RCS對比圖

接著對入射波從各個不同的角域入射時,阻抗型FSS結(jié)構(gòu)對微帶陣列天線RCS的影響進行分析.當入射波頻率為8.5 GHz時,得到如圖6(b)和圖6(c)的結(jié)果:當φ=0°時,微帶陣列天線的單站RCS在-33°＜θ＜33°的角域內(nèi)都有很好的減縮,最大縮減了10 d B.當φ=90°時,在-33°＜θ＜33°角域內(nèi),微帶陣列天線的RCS都得到了很明顯的縮減效果,最大處減縮了27 dB.可以看出,在-33°＜θ＜33°角域內(nèi),阻抗型FSS結(jié)構(gòu)對微帶陣列天線的RCS有較好的控制.

3　結(jié)束語

文中介紹了一種經(jīng)過改進的環(huán)狀阻抗型FSS吸波結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用到微帶陣列天線RCS減縮中.首先分別對普通的單環(huán)、雙環(huán)及三環(huán)的環(huán)狀阻抗型FSS進行了電磁分析及對比.在此基礎(chǔ)上,設(shè)計出一款寬帶的具有良好吸波特性的阻抗型FSS吸波結(jié)構(gòu).隨后將該FSS結(jié)構(gòu)按周期排布于微帶陣列天線上,用來降低天線的單站RCS.實驗結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)能夠在最大限度保留微帶天線輻射性能的前提下,實現(xiàn)天線的寬帶RCS減縮.

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(編輯:齊淑娟)

Resistive FSS applied to the RCS reduction of array antennas

WANG Fan,GONG Shuxi,WANG Fuwei
(Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

A ring-shaped resistive frequency selective surface(FSS)microwave-absorbing structure is designed and applied to the RCS reduction of the microstrip antenna array.The resistive FSS structure is constructed from resistive treble-square loops arranged in a periodic array.An array with four patch elements is designed,and the resistive FSS is located between two patch elements.Simulated results show that the proposed structure shows a good microwave absorbing characteristic in the frequency range of 6 GHz to 22 GHz.When loaded in a microstrip antenna array,the RCS of the array antenna can be reduced to the maximum of 27 dB with little impact on the antenna’s radiation characteristic.And the control of the wideband RCS of the antenna can be realized with this structure.

resistive frequency selective surface(FSS);RCS reduction;microstrip antenna arrays

TN82

A

1001-2400(2016)04-0081-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.04.015

2015-03-28 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-10-21

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(XJS14041);國家自然科學基金資助項目(61401327,61201018,61471278)

王 帆(1991-),男,西安電子科技大學碩士研究生,E-mail:wangfan1630@gmail.com.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151021.1046.030.html