基于超材料吸波体的低雷达散射截面微带天线设计*

杨欢欢 曹祥玉 高军 刘涛 马嘉俊 姚旭 李文强

(空军工程大学信息与导航学院，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

雷达吸波材料是有效吸收入射电磁波、显著降低目标回波强度的一类功能材料，可以大幅降低目标的雷达散射截面(radar cross section，RCS)，从而提高其隐身性能.传统的雷达吸波材料存在厚、重、稳定性差等缺点，其应用受到了限制.因此，寻求和设计更适用的高性能吸波材料一直是材料学研究的热点.2002年，Engheta[1]基于超材料(metamaterial，MTM)的亚波长结构可以突破物质本征自然规律限制的特征，首次提出由MTM获得超薄吸收材料的思想，并用含损耗的频率选择表面 (frequency selective surface，FSS)加以实现，但设计方法烦琐，很难推广应用.随后，研究人员[2,3]又提出利用MTM的同相反射特性，通过在材料表面加载集总电阻实现了超薄吸波结构，但其加工工艺复杂，也不利于实际应用.2008年Landy等[4]基于MTM的电磁耦合谐振特性，首次提出了由电谐振器、损耗型介质和金属微带线构成的具有“完美”吸收特性的吸波体.与传统吸波材料和文献[1—3]设计的吸波体相比，它具有结构简单、超薄超轻、无表面损耗层且易实现红外[5]及太赫兹频段[6]吸波的特点，因此该类吸波材料引起了科研人员的广泛关注并积极展开研究，各种极化不敏感[7-9]、宽入射角[10-12]、多频段[13-15]和宽频带[16,17]的MTM吸波体不断被提出，但对其应用的研究相对较少.近来，文献[18，19]指出此类吸波体可以提高微带天线的辐射性能，而吸波材料更常见的应用在于改善目标的散射性能，但已有文献并没有就该特性进行分析.

天线的RCS减缩是目标隐身技术中的一个关键问题，其难点在于减缩RCS的同时还必须保证天线最基本的辐射性能[20,21].对天线的带外隐身，FSS雷达天线罩已经可以很好地解决，但对天线带内隐身来说，FSS却不是一种有效的方法，因此解决天线带内隐身是当前工程领域迫切的一项课题.基于以上背景，本文设计了一种厚0.3 mm的超材料吸波体，并将其加载于微带天线周围，利用该吸波体高吸波率和无表面损耗层的特点，制备了一种兼有低带内RCS和良好辐射性能的微带天线.仿真和实测结果均表明：将设计的具有良好吸波效果的吸波体加载于微带天线后，天线的辐射性能保持不变，而其带内RCS在宽角域内得到显著降低.

2 超材料吸波体设计与分析

设计的结构如图1所示，图1(a)，(b)分别为吸波体的正面、侧面视图.该吸波体由三层构成：上层挖空的方形金属片、底层的金属背板及间隔的损耗介质层.其中，金属均为铜，电导率σ=5.8×107s/m，介质层为FR4，介电常数εr=4.4，损耗角正切tanδ=0.02.单元周期W1=10 mm，金属贴片边长W2=9.6 mm，挖去倾斜角为45°的方形边长W3=4.2 mm，介质厚度h=0.3 mm(约为0.0057λ，λ是5.64 GHz对应的自由空间波长).上层的金属片构成电谐振器，并与底层的金属背板形成磁谐振器.设计这种结构，一是电、磁谐振器中心对称可以消除吸波的各向异性[22]，二是全金属背板在保证透射率为零(即|S21|2=0)的同时简化了加工工艺.

图1 超材料吸波体单元示意图 (a)正视图;(b)侧视图

图2 吸波率随入射角的变化

采用基于有限元法的软件Ansoft HFSS进行仿真，得到TE和TM极化的入射波随入射角变化对吸波率A(A=1-|S11|2-|S21|2=1-|S11|2)的影响，如图2.可以看出，垂直入射时，吸波率大于50%的带宽为210 MHz，在5.64 GHz达99.9%，入射角增大到60°时，虽然吸波率有所降低，但仍保持在85%以上，且对应的频率变化很小，尤其对TM极化吸波率曲线非常稳定，说明该结构的吸波性能具有极化不敏感和宽入射角特性，因而可将其用于不同极化和宽角域的天线RCS减缩.

图3 相对阻抗

吸波材料实现吸波必须具备两个条件，即阻抗匹配和损耗特性.对于设计的吸波体，根据文献[23]的结论，其相对阻抗z可由下式得到：

等效折射率n为

其中，k为波数，h为吸波体厚度.根据(1)式计算得到电磁波垂直入射时的相对阻抗如图3，5.64 GHz时阻抗的实部近似为1，虚部接近为0，表明吸波体与自由空间实现了良好的阻抗匹配，因而使反射波很小.同时，吸波体底层连续的金属薄膜保证了透射为零，这样入射波只能被吸波体吸收.同样由于S21=0，吸波体的等效折射率n(n=n1+in2)不能由(2)式直接计算求得，但折射率与散射参数之间满足下式[13]：

由(3)式可知，为使等式右边为0，折射率的虚部n2应当非常大，这就保证了电磁波在吸波体中传输时将被最大程度的吸收[13].

此外，图4给出的吸波体在5.64 GHz的表面电流分布表明：入射电磁波的电场分量与上层贴片上下两端的金属臂产生了电谐振[19,24]，在外电场驱动下，电荷沿水平方向谐振，电场主要集中在金属环左右两边;入射电磁波的磁场分量穿透上层金属，在上下两层金属之间产生垂直方向的磁谐振[15]，相应地在上层金属贴片的上下端及对应的金属底板上激发出反向平行的电流，电谐振和磁谐振同频产生，使得吸波体能够几乎100%地吸收入射波的电场和磁场能量[19].

图4 电流分布图 (a)金属贴片;(b)金属底板

图5 吸波率实测仿真对比

为验证仿真结果的正确性，利用电路板刻蚀技术制作了吸波体样件，其实物如图5中插图，采用波导法[25]测试了其S11，并由公式A=1-|S11|2得到了吸波率.馈电波导采用C波段的标准波导(国标型号：WJB-58)，宽边长40.4 mm，窄边长20.2 mm，矢量网络分析仪为Agilent N5230C.图5对比给出了实测与仿真(设置与测试方法一致)的吸波率曲线，可以看出，两者符合较好，证实了该吸波体确实有较好的吸波效果，可以用于天线的RCS减缩.

3 加载超材料吸波体减缩微带天线RCS

微带天线的散射包括结构项散射和模式项散射，加载超材料吸波体减缩天线带内RCS主要是减小其结构项散射(峰值常在天线法线方向).利用所设计吸波体的超薄特性，直接将吸波体敷贴在微带天线的辐射贴片周围，并与贴片保持一定的距离，此时保证天线正常辐射，而入射到天线上的电磁波则被吸波体吸收.

3.1 天线的辐射性能

以普通的微带天线为参考，加载吸波体后得到的设计天线如图6所示.天线贴片尺寸为20 mm×15.4 mm，介质板为聚四氟乙烯，介电常数为2.65，厚1 mm，天线整体尺寸为80 mm×80 mm，超材料吸波体的参数与上节中描述相同，吸波体的吸波频带覆盖了天线的工作带宽.

图6 设计微带天线实物图

利用吸波材料减缩天线带内RCS的难点在于不降低天线辐射性能.图7和图8比较了加载吸波体前后天线辐射性能的仿真结果和用矢量网络分析仪(Agilent N5230C)及远场测量法测试的结果.从图7看到，加载吸波体后微带天线的反射系数基本没有变化，仿真和实测结果符合较好.由于两天线实测的谐振频率都为5.66 GHz，图8(a)，(b)比较了该频点的辐射方向图，可以看出，图6的加载方式对天线方向图几乎没有影响，仿真与实测结果一致，其中略微的差异是由加工误差和测试环境造成的.

图7 天线的反射系数

图8 天线的方向图 (a)仿真;(b)实测

3.2 天线的散射性能

图9(a)—(c)分别给出了TE和TM极化的平面波垂直入射和斜入射情况下天线法向的RCS.从图中可知，垂直入射时，在5—6 GHz频段内，设计天线的RCS较参考天线均有减缩，两种极化下RCS最大减缩分别达16.7 dB和14.3 dB，在5.58—5.73 GHz减缩均在3 dB以上;当入射角θ分别为45°和60°时，对于TE极化，设计天线的RCS分别在5.6—5.89GHz和5.55—5.79GHz减缩超过3dB，对于TM极化，RCS减缩达3 dB以上的频段分别为5.57—5.75 GHz和5.57—5.78 GHz.从以上结果看出，无论单站还是双站RCS，其减缩频带都完全覆盖了天线工作带宽，且与超材料吸波体的吸波频带(5.58—5.73 GHz)一致，说明RCS的减缩是由加载吸波体引起的.此外，天线对不同极化和斜入射波的RCS减缩结果同样验证了设计吸波体的极化和角度稳定性.

图9 两天线RCS随频率变化对比 (a)垂直入射;(b)TE极化斜入射;(c)TM极化斜入射

图10(a)为TE和TM极化的平面波从不同角度入射时，天线在5.66 GHz的单站RCS曲线，可以看出，两种极化下设计天线较参考天线RCS减缩最大分别达14.1 dB和13.2 dB，且在-30°—+30°角域减缩均超过3 dB.图10(b)是在5.66 GHz不同极化的平面波垂直入射时，天线在各个角度的RCS，可以看到，在-90°—+90°角域，设计天线的RCS均低于参考天线.单站和双站RCS随角度变化的结果表明：设计天线在较宽角域内保持了低RCS特性，法向的RCS峰值得到显著降低.这一结果也验证了设计吸波体的宽入射角和高吸波率特性.

图10 两天线RCS随角度变化对比 (a)单站;(b)双站

为证实吸波体对天线结构项散射的减小效果，对加工的参考天线和设计天线均加载了匹配负载，在开放的空间中，用工作频段为4.90—7.05 GHz的喇叭天线分别照射加载后的两天线，并通过矢量网络分析仪Agilent N5230C观察电磁波垂直入射时天线的反射率.由于天线整体尺寸较小，考虑到测量系统精度，把待测天线放置在距喇叭天线0.6 m处，此时入射波可近似看作平面波.从图11中的测量结果看到，加载吸波体后天线的反射率在5.56—5.75 GHz下降达3 dB以上，下降最大达10.6 dB，实测结果与仿真得到的天线RCS减缩效果基本一致.图中曲线的抖动主要是由测试条件的不完备造成的.

图11 反射率测试结果

4 结论

本文设计了一种极化稳定、宽入射角的超材料吸波体，并利用其超薄、高吸波率和无表面损耗层的特点，提出将该吸波体用于微带天线的带内RCS减缩.实验结果表明：设计的吸波体厚度仅为0.3 mm，吸波率高达99.9%，与普通微带天线相比，加载该吸波体后的天线辐射性能保持不变，而其带内RCS对不同极化的入射波在较宽角域内都有较好的减缩效果，这对研究微带天线带内RCS减缩具有重要的参考价值.此外，由于直接将超薄的超材料吸波体敷贴在天线周围，不需对现有天线结构做任何改动，因而该结构具有较好的工程实用性.但同时也看到，本文设计的吸波体带宽还较窄，未来的研究将集中于增加其吸波带宽，以实现对宽带天线的带内RCS减缩.

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