楊歡歡 曹祥玉 高 軍 劉 濤 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)

1 引言

2008年，Landy等人[1]提出了一種超薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸波率接近100%的超材料吸波體，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的吸波效果，引起研究人員的極大興趣并積極展開研究，其電磁特性也不斷得到改善，如提高入射角穩(wěn)定性[2-4]、極化穩(wěn)定性[5-7]、增加吸波頻帶(雙帶/多帶)[8-10]和擴(kuò)展吸波帶寬[11,12]等。這類吸波體的工作機(jī)理是通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)超材料的結(jié)構(gòu)模型，調(diào)控超材料單元的電諧振和磁諧振，使ε(ω)=μ(ω)，實(shí)現(xiàn)吸波材料與自由空間的阻抗匹配，降低入射波的反射率，并利用結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)損耗和歐姆損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)烈吸收。與文獻(xiàn)[13-15]提出的基于超材料的吸波材料相比，這類吸波體最大的優(yōu)勢(shì)在于不需加載集總電阻作為損耗層，就可實(shí)現(xiàn)接近100%的吸波率。

吸波材料最重要的應(yīng)用方向之一是目標(biāo)隱身，但已有研究文獻(xiàn)都僅分析了此類新型吸波材料的吸波特性，卻沒(méi)有具體分析其在雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section, RCS)減縮中的應(yīng)用。尤其在當(dāng)前天線帶內(nèi)RCS減縮成為研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[16]，降低天線的RCS對(duì)于減小目標(biāo)系統(tǒng)的總RCS具有重要意義。而此類吸波材料超薄、高吸波率和無(wú)表面損耗層的特點(diǎn)，使其非常適合于隱身天線的設(shè)計(jì)。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種高吸波率、極化不敏感、寬入射角的超薄吸波材料，從等效電路和表面電流、電場(chǎng)分布兩個(gè)角度分析了其吸波機(jī)理，并將其用于波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)，在保證天線輻射性能的同時(shí)，減縮天線帶內(nèi)RCS。

2 超薄吸波材料設(shè)計(jì)與分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

如圖1所示，設(shè)計(jì)的吸波材料是在金屬基底的介質(zhì)板上周期刻蝕方形金屬貼片而構(gòu)成的3層式結(jié)構(gòu)。上層金屬貼片的中心被挖去一旋轉(zhuǎn)了 45o角的方形，下層為完整的金屬板，中間的介質(zhì)基板為環(huán)氧玻璃布板(FR4)，介電常數(shù)εr=4.4，損耗角正切tanδ=0.02。這樣對(duì)稱地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以使其對(duì)任意極化的入射波都能產(chǎn)生諧振。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)為：?jiǎn)卧芷赪1=10 mm，金屬環(huán)邊長(zhǎng)W2=9.6 mm，挖掉方形邊長(zhǎng)W3=4.2 mm，介質(zhì)厚度h=0.3 mm(約為λ/175,λ是5.64 GHz的自由空間波長(zhǎng))。

圖1 超材料吸波體結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)傳輸線理論，建立該結(jié)構(gòu)的等效電路模型如圖 2。當(dāng)電磁波垂直入射到吸波體表面時(shí)，表面阻抗可以等效為容性的貼片陣、損耗層和感性的地板并聯(lián)，分別用Zs,Ys表示表面阻抗和導(dǎo)納，則

圖2 等效電路圖

式中ω為入射波的角頻率，L1和C分別為貼片的等效電感和電容，R為介質(zhì)和歐姆損耗，L2為金屬背襯介質(zhì)層的等效電感，可由式(2)計(jì)算[15]：

圖2所示的電路發(fā)生諧振，此時(shí)

設(shè)自由空間波阻抗為η0，對(duì)于垂直入射的平面波，吸波體的表面反射系數(shù)為

可以看出，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)吸波體的結(jié)構(gòu)模型，使諧振時(shí)吸波體的損耗R與η0相匹配，即可實(shí)現(xiàn)入射波零反射，而吸波體底層連續(xù)的金屬薄膜保證了無(wú)透射，進(jìn)入吸波體的電磁波在損耗R的作用下將被完全吸收。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5給出了電磁波垂直入射時(shí)，吸波體上下表面在諧振點(diǎn)的電場(chǎng)和電流分布。表面電場(chǎng)分布表明：入射電磁波的電場(chǎng)分量與上層貼片左右兩側(cè)的金屬臂產(chǎn)生了電偶極子響應(yīng)[18]，在貼片的兩端形成了兩個(gè)電極(如圖 5(a))，同時(shí)，這兩個(gè)電極又與金屬地板強(qiáng)烈的耦合(如圖 5(b))，形成了類似于 LC的諧振回路，從而產(chǎn)生了電諧振；表面電流分布表明：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)生水平方向的磁諧振[18]，相應(yīng)地在上層金屬貼片的上下端及對(duì)應(yīng)的金屬地板上激發(fā)出反向平行的電流(如圖5(c)-5(d))，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]。

3 利用超薄吸波材料減縮縫隙天線RCS

圖3 吸波率隨入射角的變化

圖4 吸波率實(shí)測(cè)仿真對(duì)比

圖5 電場(chǎng)電流分布圖

利用吸波材料減縮天線帶內(nèi) RCS的關(guān)鍵在于不影響其輻射性能。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)加載方式時(shí)，使吸波材料與天線輻射縫隙之間保持一定的距離，如圖6所示。天線的口徑為120 mm×120 mm，縫隙尺寸為26 mm×2 mm，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。

圖6 加載吸波材料天線示意圖

表1比較了加載吸波材料前后天線輻射性能的仿真結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，采用圖6所示的加載方式，對(duì)天線的回波損耗和增益影響都不大，表明保證了天線的輻射性能。為證實(shí)這一點(diǎn)，加工了實(shí)際的天線，并將采用電路板刻蝕技術(shù)制作的吸波材料按圖6進(jìn)行加載，其實(shí)物照片如圖7。利用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法，分別觀測(cè)了加載前后天線的回波損耗曲線、歸一化方向圖，結(jié)果對(duì)比如圖 8?？梢姡虞d吸波材料后，天線輻射性能得到了較好的保持，結(jié)果與表1基本吻合，只是諧振頻率向高頻偏移了20 MHz，分析認(rèn)為這是由于加工誤差所致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性。

表1 天線輻射性能仿真結(jié)果

圖7 加載吸波材料天線實(shí)物圖

圖8 實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

分別用TE和TM極化的平面波照射天線，圖9給出了法線方向單站RCS的減縮曲線?？梢钥吹?，在5～6 GHz頻段內(nèi)，天線RCS均有減縮，對(duì)于TE極化的情況，RCS在5.48～5.68 GHz減縮達(dá)3 dB以上，最大減縮13.9 dB；對(duì)于TM極化的情況，RCS在5.48～5.71 GHz減縮達(dá)3 dB以上，最大減縮14.8 dB。圖10對(duì)比給出了平面波從不同角度照射加載前后天線的RCS結(jié)果。從圖中結(jié)果可知，加載吸波材料對(duì)天線法線方向RCS抑制明顯，兩種極化下RCS減縮分別達(dá)16.2 dB和17.6 dB，且對(duì)TE和TM極化，RCS分別在-21o～21o和-21o～23o減縮超過(guò)3 dB。RCS減縮效果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)吸波材料的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種最大吸波率達(dá) 99.9%、厚度僅為λ/175且具有極化不敏感、寬入射角特點(diǎn)的雷達(dá)吸波材料，并從等效電路和電場(chǎng)、電流分布兩個(gè)角度分析了其吸波機(jī)理。將這種材料加載到波導(dǎo)縫隙天線上，結(jié)果表明：與加載前相比，天線的回波損耗和增益幾乎不變，對(duì)TE極化和TM極化入射波，在-21o～21o角域，天線帶內(nèi)RCS減縮均在3 dB以上，法線方向RCS減縮最大超過(guò)17 dB。驗(yàn)證了這種新型吸波超材料可以用于波導(dǎo)縫隙天線的帶內(nèi)同極化隱身。

圖9 兩天線掃頻RCS對(duì)比

圖10 兩天線掃角RCS對(duì)比

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