基于超材料完全吸收器的低RCS微带天线

顾 帅，刘亚红，罗春荣，赵晓鹏

(西北工业大学应用物理系， 西安710129)

0 引言

超材料完美吸收器是一种人工设计的周期性排列的亚波长结构材料，其在外加电磁场所激发的谐振响应可产生有效的高吸收效果，合理设计超材料单元结构形状、大小和排列方式，能够达到对电磁波的完全吸收［1-2］，这种优异的电磁波吸收特性可用于隐身技术。随着信息战和电子战的迅猛发展，战场环境中的隐身效果已经成为战场生存的首要因素，现阶段有多种方法能达到隐身的目的［3］。但是，对于雷达隐身，一直没有效果明显的技术和方法，因而，雷达隐身成为隐身技术中的重点和难点。特别是对于微带天线，由于微带天线的工作是由于谐振产生的激励发射电磁波，所以，在微带天线工作频带上往往具有较高的雷达散射截面(RCS)［4-5］。虽然微带天线具有抛面薄、体积小、重量轻、易与飞行器共形等优点，但是，它具有较高的RCS限制了其实际应用。

微带天线RCS缩减技术有缝隙加载技术、频率选择极化技术、面天线阻抗加载技术、选频滤波罩技术等多种方法［6-9］，而且比较成熟的选频滤波罩技术要用于现在的雷达天线还有很多具体问题尚待解决［10］。在研究新材料的时候，为了简化设计，一般是研究单贴片情况下的各项性能［11-15］，本文设计了一种基于超材料完全吸收器的微带天线，通过调节吸收单元结构的几何尺寸和微带天线辐射贴片的几何尺寸，使吸收器的工作频带与微带天线的工作频带相匹配，将超材料吸收器镶嵌在微带天线的四周，从而实现微带天线在工作频带内RCS的缩减。这种基于超材料完全吸收器的微带天线，不仅解决了微带天线RCS较高的缺点，同时继承了微带天线具有体积小、结构简单、易共形的特点，可直接应用印刷电路板制造工艺进行制作。

1 圆环超材料吸收器的设计

圆环超材料吸收器结构由金属圆环结构、介质基板和金属薄膜组成。当电磁波垂直入射到超材料吸收器表面时，不同大小的圆环会在不同的频率产生谐振吸收电磁波，当适当组合不同大小的圆环结构时，就能形成宽频带的吸收效果［16］。通过基于有限时域差分(FDTD)的电磁软件CST模拟计算得到吸收器的反射S11参数，由于背面是金属膜，所以，透射为0 dB，吸收率Abs=1-|S11|2。

根据不同尺寸结构单元组合拓宽吸收带宽的原理，通过仿真模拟设计了一种由八组圆环结构组成的吸收单元［17］，该吸收单元由八种圆片形状的贴片按照对角组合规律排列，图上用数字标示各种不同结构的铜圆环。正面为圆环结构铜片，铜厚度均为0.035 mm，电导率为5.8×107S/m;中间介质为FR-4基板，厚度为0.8 mm，介电常数为4.65，损耗角正切为0.025。整个正方形面板单元边长为120 mm。1号类型圆环外径为4 mm;2号类型圆环外径为3.35 mm;3号类型圆环外径为3.4 mm;4号类型圆环外径为3.38 mm;5号类型圆环外径为3.3 mm;6号类型圆环外径为3.25 mm;7号类型圆环外径为3.2 mm;8号类型圆环外径为3.15 mm;所有圆环内径为1.2 mm，各种不同类型圆片均按照对角规则排列，同一类型圆片的周期间距为 20mm，其结构单元如图1所示。

图1 吸收器单元结构示意图

采用电路板刻蚀技术制作了仿真设计的样品，为了减少外界环境对吸收性能测试结果的影响，测试在微波暗室中进行。利用架设一对X波段的标准增益喇叭作为微波的发射天线和接收天线，通过连接线分别连接在矢量网络分析仪AV3629的发射端口和接收端口，对垂直放置在转台工作台中心上的样品的进行测试。实验测试的吸收结果如图2所示。

图2 吸收器吸收效果仿真和实验结果

由图中实验测试结果可知，频率范围在10.33 GHz～11.24 GHz范围内均能达到80%以上的吸收率，实验测试结果和模拟仿真结果曲线形状大致相同，但是存在一些差距，其原因可能是由于介质基板的不均匀和加工时产生的尺寸误差造成。

2 传统宽频带微带天线设计

按设计矩形微带天线的相关经验，通过改变辐射贴片的尺寸将天线的工作中心频率设计在10.3 GHz，在主贴片四周加上寄生贴片使微带天线的工作频带拓宽。通过仿真优化，天线主辐射贴片的尺寸为7.8 mm×9.7 mm;四个寄生贴片的尺寸均为7.8 mm×2.3 mm，寄生贴片与中心主辐射贴片之间的距离为4 mm;金属接地板和基板的尺寸均为120 mm×120 mm，采用背部同轴线方式馈电，馈电点位于贴片中心正下方2.3 mm处，实现了天线的最佳阻抗匹配。天线的基板选用的厚度为1.5 mm的聚四氟乙烯纤维板，其相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，厚度为1.5 mm;金属贴片和金属接地板的材料采用铜，厚度为0.035 mm。模拟加宽频带微带天线-10 dB以下的有效工作频带宽度为9.884 GHz～11.096 GHz。

图3 传统微带天线回波损耗仿真结果

3 基于超材料吸收器的微带天线设计

3.1 超材料吸收器微带天线的设计

在传统宽频带微带天线的基础上，我们将宽频带超材料吸收器应用在传统宽频带微带天线上，采用电路板刻蚀技术制作了超材料吸收器和微带天线，将吸收单元镶嵌在天线四周，使吸收器和天线在有贴片方向上处于一个平面，整个组合大小为120 mm×120 mm。

图4 加载超材料吸收器微带天线示意图

在微波暗室中测试了传统宽频带微带天线和基于超材料吸收器的回波损耗，微带天线-10 dB以下的有效工作频带宽度为9.88 GHz～11.21 GHz。对于加载吸收器的微带天线，其回波损耗和未加载吸收器的微带天线基本保持一致，可以看出，加载吸收器对微带天线的回波损耗没有影响。

图5 微带天线回波损耗实验测试值

3.2 方向图和增益

在微波暗室中分别测试了传统宽频带微带天线和基于超材料吸收器微带天线的辐射方向图和增益。图6是微带天线工作频带内选取的三个频点(10.2 GHz、10.6 GHz、11.0 GHz)处的方向图实验测试结果。

图6 微带天线方向图实验测试结果

方向图半功率波束宽度对比见表1，可以看出，在微带天线的工作频带内，加载吸收器对微带天线的辐射方向性有较小的影响。

表1 微带天线半功率波束宽度实验测试结果

同时，在微波暗室中测试了超材料吸收器对微带天线增益的影响，如图7所示，在微带天线工作频段内，10.6 GHz以下的频率范围内加载超材料吸收器有益于增益的提高，在10.6 GHz以上的频率范围内加载超材料吸收器会影响微带天线的增益。

图7 微带天线增益实验测试结果

综合以上数据分析得知，加载超材料吸收器在微带天线的工作频带内对微带天线的性能没有较大的影响，加载超材料吸收器的微带天线依然能够正常工作。

3.3 微带天线单站RCS

对于加载超材料吸收器的微带天线，我们进一步测试其RCS特性，通过在微波暗室中对标准金属球的定标，将放置在转台上的样品进行测试［18-20］，测试使用AV3629高性能微波一体化矢量网络分析仪，其测试结果如图8所示。

由图8a)可知，在微带天线的工作频带内，微带天线的RCS在正面有了明显的缩减，在10.6 GHz附近缩减最大，正面0°方向RCS缩减量达到了-15.8 dB，其余频带也有明显的缩减。根据图8b)结果显示，当处于微带天线的工作频带外时，加载超材料吸收器的微带天线RCS值和传统宽频带微带天线RCS值一致。这充分说明加载超材料吸收器能有效降低微带天线在工作频带内的RCS值。

图8 微带天线RCS实验测试结果

4 结束语

本文设计制作了一种工作频带为9.88 GHz～11.21 GHz的传统宽频带微带天线和一种吸收频带为10.33 GHz～11.24 GHz的圆环超材料吸收器，将圆环超材料吸收器加载在传统微带天线上制作成一种基于超材料吸收器的宽频带微带天线，实验测试对比了传统微带天线和基于超材料吸收器的宽频带微带天线的回波损耗、方向图、增益以及雷达散射截面，发现将宽频带超材料吸收器加载在微带天线上，对微带天线工作频段范围内的回波损耗、方向图、增益没有明显的影响，而RCS在微带天线工作频段范围内有较大的缩减，最大缩减在10.6 GHz正面0°方向达到了-15.8 dB，在微带天线的工作频带内其他频点也有明显的缩减效果。通过对实验数据的分析，在使微带天线正常工作的情况下，通过加载超材料吸收器的方法可以有效降低微带天线在工作频带内的RCS值。

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