基于單層超表面的電大尺寸天線陣RCS減縮仿真分析

陳 強(qiáng)，鄭月軍，袁 方，丁 亮，郭田田，付云起

(1． 國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.國(guó)防科技大學(xué) 新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

隨著隱身技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，隱身平臺(tái)上天線及天線陣成為RCS的主要貢獻(xiàn)源，其隱身設(shè)計(jì)對(duì)于整體隱身性能至關(guān)重要[1-2]。但是雷達(dá)天線作為信息交互的最前端，必須保證天線能正常收發(fā)電磁波，不能直接應(yīng)用外形隱身設(shè)計(jì)或者涂敷雷達(dá)吸波材料等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其隱身設(shè)計(jì)。

近年來(lái)，電磁超材料和超表面因其對(duì)電磁波在不同頻帶的回波幅度和相位具有超常調(diào)控能力，越來(lái)越多地應(yīng)用在天線及其陣列隱身設(shè)計(jì)中[3-5]。從能量是否被消耗角度來(lái)看，天線隱身技術(shù)主要包括2大類：一類是在天線單元同層[6-8]或者覆層[9-10]加載超材料吸波體，在所需頻帶通過(guò)將能量吸收來(lái)降低天線(陣)的RCS；另一種是在天線單元同層[11-14]或者覆層[15-17]加載相位超表面，相鄰超表面單元或者超表面單元與天線之間形成反相相位對(duì)消，降低天線的RCS。

本文提出了一種基于單層透波阻抗超表面[18]的電大尺寸天線陣RCS減縮方法，超表面陣列作為覆層置于天線陣上方，在垂直極化10 GHz處產(chǎn)生透波窗口保證天線正常工作，而在其他頻點(diǎn)和極化條件下作為有耗阻抗表面，以天線陣列作為接地面實(shí)現(xiàn)寬帶吸波RCS減縮。采用國(guó)產(chǎn)電磁仿真軟件EastWave對(duì)“電大尺寸+精細(xì)結(jié)構(gòu)”的“天線陣+超表面陣列”進(jìn)行全波仿真分析，評(píng)估超表面陣列對(duì)電大尺寸天線陣的輻射性能及RCS減縮的影響。

1 透波型阻抗超表面單元及天線陣設(shè)計(jì)

提出的透波型阻抗超表面(Transparent Resistive Metasurface，TRM)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一個(gè)各向異性的金屬方環(huán)單元結(jié)構(gòu)。單元在垂直和水平方向的周期均為13.5 mm，在2條垂直邊中間各加載一個(gè)交指諧振結(jié)構(gòu)，交指諧振結(jié)構(gòu)為交指電容結(jié)構(gòu)中的一“指”的連通起到電感作用，交指諧振結(jié)構(gòu)整體尺寸為1.9 mm×1.7 mm，諧振結(jié)構(gòu)兩側(cè)為2個(gè)180 Ω的集總電阻，在2條水平邊中間各加載一個(gè)300 Ω的集總電阻。圖1(b)和圖1(c)分別為單層TRM和距離6 mm金屬地情況下不同極化的S參數(shù)。在垂直極化條件下，TRM層在交指諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率(10 GHz)處透波，透波插損為0.2 dB，而在其他頻帶和水平極化下主要體現(xiàn)損耗特性，與金屬地一起組成吸波體結(jié)構(gòu)。

(a) TRM單元結(jié)構(gòu)

為評(píng)估單層TRM對(duì)電大尺寸天線陣的輻射/散射性能影響，采用國(guó)產(chǎn)電磁仿真軟件EastWave設(shè)計(jì)了300 mm×300 mm的電大尺寸天線陣，采用串并結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，把8個(gè)串聯(lián)饋電的行波陣并在一起，串饋天線陣末端加載匹配電阻，在前面由一個(gè)1分8功分網(wǎng)絡(luò)連接。介質(zhì)板厚度0.8 mm，采用Rogers RT5880，介電常數(shù)2.2。串饋陣及不同頻點(diǎn)方向圖如圖2(a)和圖2(b)所示。串饋陣貼片間距為19.5 mm，改變各貼片寬度可以實(shí)現(xiàn)特定激勵(lì)分布，本文的串饋天線陣為非均勻分布，以實(shí)現(xiàn)在透波頻點(diǎn)(10 GHz)的法向出射的方向圖，在其他頻點(diǎn)主波束方向會(huì)偏離法向。全尺寸天線陣模型如圖2(c)所示。

(a) 串饋天線陣

2 超表面陣列對(duì)天線陣輻射性能的影響

如圖1所示，在垂直極化平面波照射時(shí)TRM層在10 GHz透波，可以作為天線陣的透波頻選罩，放置在天線正上方。然而天線陣上方很近區(qū)域仍屬于近場(chǎng)輻射區(qū)，在平面波條件下透波的TRM層置于天線陣的近場(chǎng)輻射區(qū)時(shí)對(duì)天線性能的影響仍需進(jìn)一步分析。設(shè)計(jì)了電大尺寸頻選罩，外圍尺寸300 mm×300 mm，包含22×22個(gè)TRM單元，與圖2(c)所示全尺寸天線陣組合成“電大尺寸+精細(xì)結(jié)構(gòu)”的“天線陣+超表面陣列”復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖3所示。TRM頻選罩與天線陣距離取6 mm，整體剖面厚度6.8 mm。

圖3 “天線陣+TRM超表面陣列”復(fù)合結(jié)構(gòu)模型

在EastWave中對(duì)天線陣進(jìn)行激勵(lì)，并采用全波仿真計(jì)算了天線陣的輻射性能，對(duì)比了10 GHz處有無(wú)加全尺寸TRM頻選罩的天線陣的phi=0°面和phi=90°面的方向圖，如圖4所示。

(a) phi=0°面方向圖變化

分析表明，加了全尺寸TRM頻選罩后，天線陣主瓣增益下降了0.95 dB，相比于TRM層在平面波照射下的0.2 dB插損有所增大，主要因?yàn)門RM頻選罩處于天線陣的近場(chǎng)輻射區(qū)，與天線陣間的耦合使增益損耗略微增大，在其他旁瓣和副瓣僅有較小變化。

3 超表面陣列對(duì)天線陣的RCS減縮分析

根據(jù)圖1所示，在垂直極化10 GHz以外其他頻帶和水平極化條件下，TRM層是一層有耗阻抗表面層，置于金屬接地面以上合適距離能夠產(chǎn)生寬頻帶吸波。失配情況下的天線陣能夠反射幾乎全部的入射波，因此可以作為接地面與TRM層組成吸波體結(jié)構(gòu)。對(duì)于圖3所示的“天線陣+超表面陣列”復(fù)合結(jié)構(gòu)模型，在EastWave中仿真分析了全尺寸TRM頻選罩對(duì)天線陣的雙站RCS減縮效果。求解設(shè)置如圖5所示，平面波以角度θ斜入射到“天線陣+全尺寸TRM頻選罩”，遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)視器在入射方向的鏡像方向。

圖5 EastWave求解“天線陣+TRM頻選罩”復(fù)合結(jié)構(gòu)的雙站RCS示意

全波仿真計(jì)算了不同極化(天線主極化和交叉極化)和不同角度下有無(wú)全尺寸TRM頻選罩的天線陣的RCS。TE極化(天線主極化)平面波照射下，有無(wú)全尺寸TRM頻選罩的全尺寸天線陣的雙站RCS結(jié)果，如圖6所示。結(jié)果表明，TE極化下，TRM頻選罩能在天線工作頻帶兩側(cè)都實(shí)現(xiàn)RCS減縮，而隨入射角增大，低頻吸波帶寬逐漸變窄，RCS減縮量減小，高頻部分吸波帶寬逐漸變寬，RCS減縮量增加，在TE極化不同角度下，TRM頻選罩都能有效實(shí)現(xiàn)天線陣RCS減縮，在1～18 GHz的平均減縮量為12.8～16 dB，最大RCS減縮量為25.3 dB。

(a) θ=0°

TM極化(天線交叉極化)平面波照射下，加載全尺寸TRM天線罩前后天線陣在不同入射角度下的雙站RCS結(jié)果，如圖7所示。結(jié)果表明，在TM極化不同入射角度下，有耗TRM層均能實(shí)現(xiàn)對(duì)全尺寸天線陣的寬帶RCS減縮，平均RCS減縮量為13.1～18.2 dB，最大減縮量為29.2 dB。

(a) θ=0°

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了透波阻抗超表面TRM和全尺寸天線罩的設(shè)計(jì)，分析了TRM層作為隱身天線罩對(duì)電大尺寸的天線陣的輻射和散射性能的影響，結(jié)果表明，該TRM天線罩雖對(duì)天線陣造成小于1 dB的增益損耗，但是對(duì)天線陣的同極化帶外頻段和交叉極化全頻段都具有寬帶吸波RCS減縮效果，而“天線陣+TRM天線罩”復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體厚度僅有6.8 mm，是一種低剖面天線隱身技術(shù)方案。