带电磁带隙结构微带天线的时域溅射特性研究

侯海健 李大伟 陈美娥 王均宏

(1.全光网络与现代通信网教育部重点实验室,北京 100044;2.北京交通大学光波技术研究所,北京 100044)



带电磁带隙结构微带天线的时域溅射特性研究

侯海健1,2李大伟1,2陈美娥1,2王均宏1,2

(1.全光网络与现代通信网教育部重点实验室,北京 100044;2.北京交通大学光波技术研究所,北京 100044)

在微带天线上加电磁带隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)结构,能够有效减小天线工作频带内的雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS),目标识别比较困难．利用时域散射波形特性,与频率RCS相结合,实现低RCS目标的测量．采用并行时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)对带EBG结构的微带天线的时域溅射特性进行了研究,分析了其时域散射波形形成机理,研究了其双站时域散射特性以及频域RCS的变化规律．从而得出,带有EBG结构的天线虽然具有较低的频域RCS,“隐身”特性较好,但是其时域散射波形开始部分场值的幅度很大,需要经过一段时间场值稳定后才能呈现出低散射特性,本文把这种特性叫做时域溅射特性．

时域散射;FDTD;EBG;RCS

引 言

Dan Sievenpiper于1999年提出了一种六角形的新型金属人工电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap, EBG)[1],它是将金属片周期地排列在普通的介质板上,并且金属片与地板之间由金属过孔相连．由于这种EBG结构在接近谐振频率时呈现出很高的电抗性质,因而被称为高阻抗表面结构．利用这种EBG结构可提高各种天线性能,例如可以用它来提高天线的增益、降低背瓣、降低表面波带来的单元间的耦合等[2-4]．由于电磁波在这类高阻结构表面反射时没有相位损失,与金属表面产生的180°相位损失正好可以抵消,因而在天线的雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)缩减方面,EBG结构也起到了很好的效果[5-10],例如在开缝脊波导上加EBG结构[5]以及在微带天线的两边或者周围加上EBG结构,都能有效降低天线的整体RCS[10]．带有这种EBG的天线,往往具有“隐身”的特性,利用传统的方法很难探测．本文针对这一问题,提出利用正弦电磁波的时域溅射特性来探测基于EBG结构的“隐身”天线的思路,用以探测和识别带有高阻抗表面的低散射微带天线．本文所说的电磁波的时域溅射特性,是指正弦电磁波刚刚入射到“隐身”电磁结构上时,会出现其后期稳定时所没有的散射现象,就像一束水柱刚打到物体表面时会溅出短暂而较大的水花,而稳定后由于水的表面张力等因素而不再有很大的水花一样．本文将以带EBG结构的低RCS的微带天线为例,进行正弦波时域溅射特性分析．本文应用并行的时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)程序进行仿真,用MATLAB对得到的散射结果进行分析．本文分析了时域散射特性,定义了时域溅射相关参数,对比了在双站RCS的变化和时域溅射参数的变化,从而给出了这种带高阻抗表面的低RCS结构的探测思路．

1 理论分析

1.1 带EBG结构微带天线参数

图1给出了本文中讨论的微带天线的结构,辐射贴片尺寸为12 mm×16 mm,地板尺寸为80 mm×66.5 mm,工作频率为4.83 GHz．介质的厚度为3 mm,相对介电常数为4.4 (后文中称此种微带天线为不带EBG结构的微带天线)．其中一个天线在辐射贴片的两侧的介质表面覆盖有蘑菇型的EBG结构,是由正方形金属片周期性地排列在介质板上,并且金属片与地板由金属过孔相连．蘑菇型EBG结构的边长为6.5 mm,缝隙长度为1 mm,金属柱边长为1 mm．其表面阻抗由式(1)、(2)表示[1]为

图1 带和不带EBG结构的微带天线结

(1)

(2)

式中,ωo为谐振频率．由式(1)可以看出:高阻表面在低频时候呈现出电感特性,在高频的时候呈现出电容特性;在谐振频率附近,表面阻抗很高,可以近似为“理想磁导体”[1]．

当垂直极化波由介质1面垂直入射到分介质2时,根据边界条件可得反射系数

R=Z2-Z1/Z2+Z1．

(3)

如果介质1为空气,介质2为理想导电体(PerfectElectricConductor,PEC),反射系数为-1;如果介质1为空气,介质2为EBG结构,在谐振频率上时,反射系数为1．如果一个正弦波由空气入射到一半为PEC,一半为EBG结构的分界面,在谐振频率上,反射系数分为-1和1,所以由PEC界面反射波和EBG结构反射波相互抵消．如果入射波为正弦波,频率为EBG结构的谐振频率,入射波电场幅度为1V/m,从空气正向入射到一半为EBG结构一半为PEC结构的表面上时,电场方向与分界面平行．EBG结构的抗阻由式(1)得到,将式(1)代入到式(3),得到后向反射波时域信号(由频域算出,经过IFFT变换,取实部),结果如图2所示．由图2可知,虽然加上EBG结构,能够减小反射波幅度值,但是需要一段时间才能达到效果．

图2 理论正弦波入射,一半地板一半EBG结构的后向散射

在辐射情况下,不带EBG结构和带EBG结构微带天线的回波损耗S11如图3所示,两者S11非常接近,可以近似认为,两者在4.83 GHz时S11为-26 dB左右,在4.68 GHz到5.1 GHz之间时S11小于-10 dB;不带EBG结构微带天线的S11在4.889 GHz时最低,带EBG结构微带天线的S11在4.871 GHz时最低．此外,与带EBG结构的微带天线相比后,不带EBG结构微带天线的增益略有减小,半功率波束宽度稍有改变．

图3 带与不带EBG结构的微带天线的回波损耗

1.2 时域溅射现象及参数定义

图4给出了频率为4 GHz和6 GHz的正弦波入射到带EBG结构微带天线时的散射电场时域波形,图5则是由天线工作频率4.83 GHz的正弦波入射时的后向散射电场时域波形图．由FDTD算法得到仿真结果．从图4和图5可以看到,不管在哪个频率,散射波形都要经过一段时间后才能逐渐稳定．对于4 GHz和6 GHz的入射波,散射场稳定前后其幅度差别比较小;而对于与天线工作频率一致的4.83 GHz入射波,散射场开始部分其幅值比较大,而后骤减,波形稳定前后的场幅值差别比较大．这是因为在入射波频率为4.83 GHz时,电磁波经过高阻抗表面散射后与几乎在同一平面的天线和地板等低阻表面的总散射波形的相位相差接近180°,这两部分散射波形能相互相消．而从式(1) 可以看出,入射波频率为4 GHz或6 GHz时,EBG结构已经分别呈现了电容特性或者电感特性,由EBG结构散射出的电场与贴片及地板散射出的电场不能相互抵消．

图4 频率为4 GHz和6 GHz的正弦波正入射时的后向时域散射波形

图5 频率为4.83 GHz的正弦波入射时的后向时域散射波形

图4和图5为理论上的正弦波,实际电路产生的正弦波都有一个起振过程．为了模拟起振过程,本文将正弦波开始部分进行一个幅度调制,经过一段时间之后恢复为标准等幅正弦波,其时域电场表达式为

(4)

式中:f0为正弦波频率;t0、τ由下述公式确定[11]:

t0=0.8τ,

(5)

τ=2/fgauss,

(6)

fgauss为一个决定正弦波起振时幅度变化快慢的一个参数,fgauss+f0对应的频谱分量为频谱最大值的4.3%．当fgauss逐渐变大时,表现出来的是正弦波开始部分的幅度变化逐渐变陡,即从零上升到稳定值所用的时间变短．

当fgauss为100 MHz、f0为4.8 GHz且由θ=0°,φ=0°方向入射时,得到的后向散射电场波形如图6所示(经过小波变换,去掉了高频分量)．由图6可见后向散射电场的开始部分与稳定后散射电场的幅值差别比较小．当fgauss分别为1、2、3、4 GHz时,仍由θ=0°,φ=0°方向入射,得到的后向散射波形如图7所示(经过小波变换,去掉了高频分量)．由图7可见正弦波开始部分上升沿逐渐变陡,散射场开始部分的最大值随着fgauss变大而变大,与稳定后散射电场的幅值差别逐渐变大,但是稳定后的散射场的幅值几乎相同．

从时域上看,带EBG结构的微带天线散射出的电场波形在开始时幅度不稳定,需要经过一段时间(几个周期左右)后才能稳定下来．所以当fgauss为100 MHz时,t0远远大于正弦波的周期,虽然开始部分由EBG结构散射出的电场和由地板散射出的电场不能相互抵消,但它们的幅度都很小,不易被发觉．如果从频域上看,正弦波的起始部分,可以近似看成一个门函数和正弦波的乘积,因而包含很多的频率成分,门越陡,高频成分越多,幅度更大,这些频率成分中只有一小部分(天线谐振频率附近)经由EBG和贴片及地板的散射后能相互抵消,其他大部分不能抵消,从而导致带EBG结构的微带天线的散射电场在开始部分随fgauss的增大(门函数的上升沿变陡)而增大．

图6 fgauss=100 MHz、f0=4.8 GHz的调制正弦波正向入射到带EBG结构微带天线的后向时域散射电场和功率

图7 fgauss不同时带EBG结构微带天线的时域散射电场波形

为了定量分析电磁波溅射特性,本文定义两个参数,即临界点和临界点前后最大功率比α,其具体定义及物理意义如下:临界点定义为一个时间点,其前后两个周期内电场瞬时功率的最大值变化不超过10%,并且随后所有周期内功率最大值的变化都在临界点以后功率平均值的10%以内．临界点以前的区域,为散射电场不稳定的区域,临界点以后的区域为散射电场稳定的区域．α定义为临界点之前功率的最大值与临界点之后功率最大值的比值,代表了不稳定区域功率的最大值比稳定后功率最大值降低或者升高的倍数,表示了电磁波开始部分溅射出的功率大小程度．

2 时域溅射特性分析

当用3～6 GHz不同频率的正弦波正向入射到上述带EBG结构的微带天线上时,经过FDTD计算,得到后向时域散射电场后,按上述定义求出临界点,然后求出稳定前和稳定后的最大值,结果分别对应图8中的虚线和实线．计算时,时域波形的持续时间从0到8.33 ns．如图8所示,临界点以前电场功率最大值在不同频率下的差别比较小,而临界点以后电场功率最大值在不同频率下的差别比较大,并且对于带EBG的情况,在4.8 GHz附近,稳定后的功率最低,对应于低RCS的情形．

在散射情况下,当正弦波由正面入射到只有地板和EBG结构(EBG的排布方式如图1所示)时,在4.98 GHz下,RCS最小,此时由地板反射出的反射电场与由EBG结构反射出的反射电场的相位相差180°．但是不带EBG结构微带天线在4.68 GHz下达到散射电场最小值,如图8(b) 所示．因此当EBG结构加到微带天线上时,综合了两者的特性,RCS最小的频点移到了4.83 GHz,如图8(a)所示．因此,在天线的工作频率4.83 GHz上,由EBG结构产生的散射场与由地板产生的散射场相位不是正好相差180°,而是稍有偏差．

图8 不同频率上时域散射参数

由4.83 GHz的正弦波入射到带EBG的微带天线上时,从图5和图8可以看出:稳定后电场的均值为0.011 6 V/m,电场最大的值为0.012 V/m;而稳定前最大的电场值为0.070 9 V/m．稳定前电场最大值比稳定后电场值大6倍左右．α为37左右．频域双站RCS如图9所示．可见,在θ=0°(与Z轴夹角)和φ=0°(XY平面内,与X轴夹角)方向上,带EBG的微带天线的RCS减小12 dBsm左右．

图9 工作频率4.83 GHz下带和不带EBG结构的微带天线的RCS

在H面(φ=0°,θ=-180°到180°)的[-30,30]范围内,带EBG结构的微带天线的RCS要小于不带EBG微带天线的．单独取H面内θ=0°到90°带EBG的微带天线的RCS曲线,如图10(a) 所示,同时给出对应角度上α,如图10(b)所示．从图10发现,在RCS比较低的点上,α的结果比较大．当θ由0°增大到30°的过程中,带EBG结构的微带天线的RCS先减小后增大,在14°左右达到最低,随后RCS逐渐增大;而α先增大后减小,并且在8°左右达到最大,随后逐渐减小．根据前面的定义,α表示散射场稳定前后的差异．当RCS减小的时候,可以理解为EBG结构产生的散射场与地板产生的散射场相消效果增强,此时稳定前后差异变大,即α将变大．当α小于1的时候,表示稳定前的场最大值比稳定后的小,对应于图10中θ>30°的情况．从图9可以发现,在这些角度上,EBG结构并没有起到减小RCS的作用．

图10 H面上天线参数与RCS的比较

在E面(φ=90°,θ=-180°到180°)的[-20,20]范围内,带EBG结构的微带天线的RCS小于不带EBG结构的微带天线,如图10所示．同样单独取E面上,θ=0°到90°的RCS曲线,如图11所示．同样对比相同角度上的α发现,在RCS比较低的点上,α结果比较大．当θ由0°增大到30°的过程中,带EBG结构的微带天线的RCS逐渐增大,而此时α逐渐减小．同样,在EBG结构不能减小RCS的角度上,α的值小于1.

图11 E面上天线参数与RCS的比较

3 结 论

本文研究了带和不带EBG结构微带天线的时域散射特性,采用了蘑菇型EBG结构,这种结构在工作频率上能够使天线具有较低的RCS．然而,经过本文的时域散射特性研究发现,带这种结构的微带天线的散射场要经过一段时间后散射波形才能稳定下来,并且稳定前和稳定后场的幅值变化很大,因而可以用这一特性从时域上检测出具有较小频域RCS的目标．本文分析了不同频率正弦波入射情况下的时域散射波形,总结了时域散射波形稳定前后的变化规律,可为低散射目标的探测提供一种新的思路．

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陈美娥 (1981-), 女,陕西人,北京交通大学硕士生导师,主要研究方向为计算电磁学及天线理论与设计、电磁场辐射与散射、瞬态电磁场理论与技术．

王均宏 (1965-),男,江苏人,北京交通大学教授、博士生导师,IEEE高级会员,2008年获得国家杰出青年基金,主要研究方向为无线通信射频链路基础理论与关键技术、天线理论与技术、漏泄波导、微波毫米波非均匀传输线及无源器件、电磁辐射与散射、瞬态电磁场理论与技术等．

Time domain sputtering characteristics of the microstrip antenna with EBG structure

HOU Haijian1,2LI Dawei1,2CHEN Meie1,2WANG Junhong1,2

(1.InstituteofLightwaveTechnology,BeijingJiaotongUniveristy,Beijing100044,China2.KeyLaboratoryofAllOpticalNetwork&AdvancedTelecommunicationNetworkofMOE,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

The in-band radar cross section(RCS) of the microstrip antenna can be reduced efficiently by adding electromagnetic band gap(EBG) structure to the antenna, which makes targets hardly be identified. To recognize the targets with low RCS, the bi-static time domain scattering characteristics and the frequency domain RCS of the antenna is studied. The time domain sputtering characteristics of the microstrip antenna with EBG structure is studied by parallel FDTD algorithm. The formation mechanism of the time scattering waveform of the antenna is analyzed. Thereby, although the microstrip antenna with EBG has low RCS in frequency domain and exhibits stealth characteristic, the field amplitude of the time domain scattering waveform is very large at the beginning, and becomes lower after a period of time. It is called the time domain sputtering characteristic in this paper.

time domain scattering; FDTD; EBG; RCS

10.13443/j.cjors. 2014071401

2014-07-14

国家自然科学基金(No.61331002)； 国家重点基础研究发展计划(973计划项目，No.2013CB328903)

TN95

A

1005-0388(2015)05-0850-07

侯海健 (1989-),女,北京人,北京交通大学电磁场与微波技术实验室在读博士生,主要研究方向为周期性结构非正弦波时域散射机理研究．

李大伟 (1988-),男,内蒙古人,北京交通大学电磁场与微波技术实验室在读博士生,主要研究方向为无线通信射频链路基础理论与关键技术．

侯海健, 李大伟, 陈美娥, 等. 带电磁带隙结构微带天线的时域溅射特性研究[J]. 电波科学学报,2015,30(5):850-856.

HOU Haijian, LI Dawei, CHEN Meie, et al. Time domain sputtering characteristics of the microstrip antenna with EBG structure[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):580-856. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014071401

联系人： 侯海健 E-mail: 12111005@bjtu.edu.cn