基于单层超表面的电大尺寸天线阵RCS减缩仿真分析

陈 强，郑月军，袁 方，丁 亮，郭田田，付云起

(1． 国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073；2.国防科技大学 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，湖南 长沙 410073)

0 引言

随着隐身技术的发展与进步，隐身平台上天线及天线阵成为RCS的主要贡献源，其隐身设计对于整体隐身性能至关重要[1-2]。但是雷达天线作为信息交互的最前端，必须保证天线能正常收发电磁波，不能直接应用外形隐身设计或者涂敷雷达吸波材料等方法来实现其隐身设计。

近年来，电磁超材料和超表面因其对电磁波在不同频带的回波幅度和相位具有超常调控能力，越来越多地应用在天线及其阵列隐身设计中[3-5]。从能量是否被消耗角度来看，天线隐身技术主要包括2大类：一类是在天线单元同层[6-8]或者覆层[9-10]加载超材料吸波体，在所需频带通过将能量吸收来降低天线(阵)的RCS；另一种是在天线单元同层[11-14]或者覆层[15-17]加载相位超表面，相邻超表面单元或者超表面单元与天线之间形成反相相位对消，降低天线的RCS。

本文提出了一种基于单层透波阻抗超表面[18]的电大尺寸天线阵RCS减缩方法，超表面阵列作为覆层置于天线阵上方，在垂直极化10 GHz处产生透波窗口保证天线正常工作，而在其他频点和极化条件下作为有耗阻抗表面，以天线阵列作为接地面实现宽带吸波RCS减缩。采用国产电磁仿真软件EastWave对“电大尺寸+精细结构”的“天线阵+超表面阵列”进行全波仿真分析，评估超表面阵列对电大尺寸天线阵的辐射性能及RCS减缩的影响。

1 透波型阻抗超表面单元及天线阵设计

提出的透波型阻抗超表面(Transparent Resistive Metasurface，TRM)结构如图1所示，是一个各向异性的金属方环单元结构。单元在垂直和水平方向的周期均为13.5 mm，在2条垂直边中间各加载一个交指谐振结构，交指谐振结构为交指电容结构中的一“指”的连通起到电感作用，交指谐振结构整体尺寸为1.9 mm×1.7 mm，谐振结构两侧为2个180 Ω的集总电阻，在2条水平边中间各加载一个300 Ω的集总电阻。图1(b)和图1(c)分别为单层TRM和距离6 mm金属地情况下不同极化的S参数。在垂直极化条件下，TRM层在交指谐振结构的谐振频率(10 GHz)处透波，透波插损为0.2 dB，而在其他频带和水平极化下主要体现损耗特性，与金属地一起组成吸波体结构。

(a) TRM单元结构

为评估单层TRM对电大尺寸天线阵的辐射/散射性能影响，采用国产电磁仿真软件EastWave设计了300 mm×300 mm的电大尺寸天线阵，采用串并结合馈电网络设计，把8个串联馈电的行波阵并在一起，串馈天线阵末端加载匹配电阻，在前面由一个1分8功分网络连接。介质板厚度0.8 mm，采用Rogers RT5880，介电常数2.2。串馈阵及不同频点方向图如图2(a)和图2(b)所示。串馈阵贴片间距为19.5 mm，改变各贴片宽度可以实现特定激励分布，本文的串馈天线阵为非均匀分布，以实现在透波频点(10 GHz)的法向出射的方向图，在其他频点主波束方向会偏离法向。全尺寸天线阵模型如图2(c)所示。

(a) 串馈天线阵

2 超表面阵列对天线阵辐射性能的影响

如图1所示，在垂直极化平面波照射时TRM层在10 GHz透波，可以作为天线阵的透波频选罩，放置在天线正上方。然而天线阵上方很近区域仍属于近场辐射区，在平面波条件下透波的TRM层置于天线阵的近场辐射区时对天线性能的影响仍需进一步分析。设计了电大尺寸频选罩，外围尺寸300 mm×300 mm，包含22×22个TRM单元，与图2(c)所示全尺寸天线阵组合成“电大尺寸+精细结构”的“天线阵+超表面阵列”复合结构，如图3所示。TRM频选罩与天线阵距离取6 mm，整体剖面厚度6.8 mm。

图3 “天线阵+TRM超表面阵列”复合结构模型

在EastWave中对天线阵进行激励，并采用全波仿真计算了天线阵的辐射性能，对比了10 GHz处有无加全尺寸TRM频选罩的天线阵的phi=0°面和phi=90°面的方向图，如图4所示。

(a) phi=0°面方向图变化

分析表明，加了全尺寸TRM频选罩后，天线阵主瓣增益下降了0.95 dB，相比于TRM层在平面波照射下的0.2 dB插损有所增大，主要因为TRM频选罩处于天线阵的近场辐射区，与天线阵间的耦合使增益损耗略微增大，在其他旁瓣和副瓣仅有较小变化。

3 超表面阵列对天线阵的RCS减缩分析

根据图1所示，在垂直极化10 GHz以外其他频带和水平极化条件下，TRM层是一层有耗阻抗表面层，置于金属接地面以上合适距离能够产生宽频带吸波。失配情况下的天线阵能够反射几乎全部的入射波，因此可以作为接地面与TRM层组成吸波体结构。对于图3所示的“天线阵+超表面阵列”复合结构模型，在EastWave中仿真分析了全尺寸TRM频选罩对天线阵的双站RCS减缩效果。求解设置如图5所示，平面波以角度θ斜入射到“天线阵+全尺寸TRM频选罩”，远场监视器在入射方向的镜像方向。

图5 EastWave求解“天线阵+TRM频选罩”复合结构的双站RCS示意

全波仿真计算了不同极化(天线主极化和交叉极化)和不同角度下有无全尺寸TRM频选罩的天线阵的RCS。TE极化(天线主极化)平面波照射下，有无全尺寸TRM频选罩的全尺寸天线阵的双站RCS结果，如图6所示。结果表明，TE极化下，TRM频选罩能在天线工作频带两侧都实现RCS减缩，而随入射角增大，低频吸波带宽逐渐变窄，RCS减缩量减小，高频部分吸波带宽逐渐变宽，RCS减缩量增加，在TE极化不同角度下，TRM频选罩都能有效实现天线阵RCS减缩，在1～18 GHz的平均减缩量为12.8～16 dB，最大RCS减缩量为25.3 dB。

(a) θ=0°

TM极化(天线交叉极化)平面波照射下，加载全尺寸TRM天线罩前后天线阵在不同入射角度下的双站RCS结果，如图7所示。结果表明，在TM极化不同入射角度下，有耗TRM层均能实现对全尺寸天线阵的宽带RCS减缩，平均RCS减缩量为13.1～18.2 dB，最大减缩量为29.2 dB。

(a) θ=0°

4 结束语

本文介绍了透波阻抗超表面TRM和全尺寸天线罩的设计，分析了TRM层作为隐身天线罩对电大尺寸的天线阵的辐射和散射性能的影响，结果表明，该TRM天线罩虽对天线阵造成小于1 dB的增益损耗，但是对天线阵的同极化带外频段和交叉极化全频段都具有宽带吸波RCS减缩效果，而“天线阵+TRM天线罩”复合结构的整体厚度仅有6.8 mm，是一种低剖面天线隐身技术方案。