基于可重构频率选择表面的天线RCS减缩研究

王夫蔚 任宇辉 高宝建



基于可重构频率选择表面的天线RCS减缩研究

王夫蔚*任宇辉 高宝建

(西北大学信息科学与技术学院 西安 710127)

天线；雷达截面；可重构；频率选择表面

1 引言

2 可重构频率选择表面结构分析及设计

目前电磁学领域一般使用电磁仿真软件完成FSS的设计过程。在设计之前，首先需要对可重构频率选择表面的传输系数特性也就是S参数进行分析，包括介质介电常数，寄生单元长度，寄生单元宽度3个参数。本文的所有仿真结果均使用Ansys公司的HFSS 13进行。图1所示为可重构频率选择表面的结构示意图，FSS的基本参数已在图中标示(单位：mm)。需要说明的是：在所有的天线设计以及超材料设计中，讨论的均为单一参数对于电磁特性的影响，不存在一个参数对传输系数的影响时，其它参数也要相应变化的情况。因此，在分析某一个参数对传输系数的影响时，其它参数均保持不变。

从图2可以看出，随着介电常数的减小，二极管断开状态下的FSS结构阻带中心频率明显增加，带宽变化不大；二极管导通状态下的FSS结构，通带中心频率升高，带宽增加。同时，随着介质介电常数的减小，两种情况下FSS结构的中心频率基本保持在同一频点，并未发生太大的偏移。

(2)寄生单元长度对可重构FSS的影响： FSS单元的四角分别有4个寄生单元，寄生单元的尺寸参数直接影响了FSS结构的等效电容，即对整个FSS结构的传输特性会产生影响，有必要先对寄生单元的长度对可重构FSS传输特性的影响进行分析。分别选取寄生单元长度为6.0 mm, 6.8 mm, 7.3 mm，得到其对可重构FSS传输特性的影响，仿真结果如图3所示。

图1 可重构频率选择表面结构示意图

图2 介电常数对FSS传输特性的影响

由图3可以看出，随着寄生单元长度的增加，二极管断开状态下的FSS结构阻带中心频率保持不变，带宽略微变大，阻带外的通带中心频率减小明显，并且带宽下降。二极管导通状态下，随着寄生单元长度的增加，通带中心频率明显降低，带宽也随之减小。

(3)寄生单元宽度对可重构FSS的影响： 接下来对寄生单元的宽度对可重构FSS传输特性的影响进行分析。分别取寄生单元宽度分别为1.0 mm, 1.1 mm, 1.2 mm，得到寄生单元的宽度对可重构FSS传输特性的影响，仿真结果如图4所示。

由图4可以看出，其变化规律与改变寄生单元长度时类似，随着宽度的变大，在二极管断开状态下的FSS结构中心频率以及带宽均未发生明显改变。二极管导通状态下，中心频率有小幅降低。

这就表明，在二极管断开时，FSS表现为典型的空间带阻滤波器特性，当入射波频率处于FSS的阻带频率时，电磁波照射至FSS大部分沿入射路径返回，而小部分电磁波透射，而处于阻带频率之外的电磁波则与之相反。在二极管导通时，FSS表现为典型的空间带通滤波器特性，当入射波频率处于FSS的通带频率时，电磁波照射至FSS小部分沿入射路径返回，而大部分电磁波透射，处于通带频率之外的电磁波则与之相反。

3 可重构频率选择表面在天线RCS减缩中的应用

可重构频率选择表面的实验应用方案一般采用为反射板置换以及天线罩模式。下面以反射板置换应用模式介绍其在天线RCS减缩中的应用技术。图6所示为可重构频率选择表面结构示意图，图7所示为可重构频率选择表面用于天线反射板的示意图，将可重构频率选择表面置换一般的金属板作为天线的反射板。当二极管处于截断状态时，可重构FSS反射板在工作频段内具有带阻特性，而在此频段之外呈现明显的通带特性，在天线的辐射特性保留的同时实现天线带外RCS减缩。而当二极管电阻为零即二极管导通时，此时，可重构FSS反射板在包含中心频率在内的较宽的频带范围内，具有明显的带通特性，此时该频段电磁波可以直接透射过该FSS，即可最大程度降低天线的带内RCS。同时，本文提出一种统一加载偏置电压的方式，使得可重构FSS的偏置电压控制大大简化。综上所述，本文考虑对应天线的不同状态，通过对二极管的控制使得频率选择表面反射板实现滤波特性动态可重构，并通过置换金属反射板降低天线系统的RCS同时实现RCS减缩频段的可重构。

图3 寄生单元长度对FSS传输特性的影响

图4 寄生单元宽度对FSS传输特性的影响

图5 可重构频率选择表面S参数示意图

为了说明该方案的有效性，针对之前给出的可重构FSS结构，通过使用可重构FSS置换金属反射板的方法，对置换前后天线的辐射散射特性进行分析。首先，当天线处于工作状态时，分别对天线使用普通金属反射板以及本文所提出的可重构频率选择表面反射板进行了仿真及实测验证。仿真及实测11如图8所示，方向图如图9所示。可以看出当天线处于工作状态时，二极管截断，天线的11特性以及辐射方向图与金属反射板相比基本吻合。天线增益比原始天线增益减小不到0.3 dB。因此，在天线的工作频带内，处于二极管截断状态下使用可重构FSS反射板能够最大限度的保证天线的辐射性能。

图6 可重构频率选择表面反射板结构示意图

图7 可重构频率选择表面反射板的应用示意图

图8 天线S11比对曲线

图9 天线辐射方向图仿真与实测比对曲线(3.75 GHz)

图10 单站RCS变化曲线

图11 天线单站RCS随入射波角度变化比对曲线图

从天线的RCS曲线可以进一步论证可重构FSS反射板的物理现象。即当可重构FSS反射板处于二极管截断时，由反射板正上方垂直入射处于天线工作频段内的电磁波基本沿原路径返回，只有极小部分透射。处于天线工作频段外的电磁波与之相反。此时天线的带内RCS基本不变，而带外RCS明显下降。而当可重构FSS反射板处于二极管导通时由反射板正上方垂直入射处于天线工作频段内的电磁波基本透射，只有部分沿原路返回，此时天线的带内RCS明显下降。

图12 天线双站RCS随入射波角度变化比对曲线图

4 结束语

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王夫蔚： 男，1987年生，讲师，研究方向为天线设计、电磁散射、天线RCS减缩、超材料等.

任宇辉： 男，1980年生，讲师，研究方向为天线设计、超材料、阵列天线等.

高宝建： 男，1963年生，副教授，研究方向为现代通信理论等.

Research on Antenna Radar Cross Section Reduction Based onReconfigurable Frequency Selective Surface

WANG Fuwei REN Yuhui GAO Baojian

(,,710127,)

Antenna; Radar Cross Section (RCS); Reconfigurable; Frequency Selective Surface (FSS)

TN82

A

1009-5896(2017)12-2983-07

10.11999/JEIT170136

2017-02-21；

2017-09-05；

2017-11-01

通信作者：王夫蔚 wfwraul@163.com

国家自然科学基金(61501372)

The National Natural Science Foundation of China (61501372)