一种采用吸波透波超表面的天线RCS 宽带减缩新方法

马于惠 刘璐 贾帅宇 王祎昊 李妍

（西北大学信息科学与技术学院，西安 710127）

引 言

随着雷达探测以及各国反导、反舰等系统的愈发成熟，隐身技术的研发对于各类武器系统的生存能力影响越来越大. 隐身技术的一个重要指标就是雷达散射截面(radar cross section，RCS)[1]，其是指目标物体被电磁波照射时，在某一方向上返回散射功率的量度，它是表征物体散射特性的重要指标. RCS与目标本身的结构参数有关，也与入射波的电磁基本特性如频率、极化、入射角等相关. 同时，天线作为一种特殊的散射体，其本身具有发射和接收电磁波的能力，但为了保证自身良好的辐射性能，常规的目标隐身方式无法直接用于天线的RCS 减缩. 目前目标平台的散射控制技术已经非常成熟，但相比于目标平台，置于其上天线的RCS 问题逐渐凸显，最终天线的RCS 水平成为目标平台整体隐身性能好坏的一个重要因素.

目前，RCS 减缩的主要手段一般包括外形设计、涂敷吸波材料、有源及无源对消等[2-4]. 与此同时，针对天线RCS 减缩的特殊性，超材料技术逐渐被引入天线RCS 减缩中[5-7]，常见的用于天线RCS 减缩的超材料有频率选择表面(frequency selective surface,FSS)、电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构、超材料吸波体(metamaterials absorber, MA)等. FSS结构常被用于天线的反射板来降低天线的RCS，而这种方式只能针对天线工作频带之外的带外RCS 减缩[5]. 由于EBG 结构本身带宽的限制，它的使用一般只能针对窄带RCS 减缩[8]. MA 也被称作结构型吸波材料，近年来也越来越多地被用于天线的RCS 减缩中，然而一般的MA 结构用于天线的RCS 减缩主要是将MA 结构置于天线的四周，或置于阵列天线单元之间，这种方式无疑会严重增加天线系统的整体尺寸且会影响天线的辐射特性[9]. 同时，MA 结构的吸波带宽也是限制它在天线RCS 减缩当中进一步应用的一个阻碍因素.

为此，有国外学者提出将氮化钽材料用于MA结构设计中，将传统MA 结构中的周期性金属贴片用氮化钽材料置换，利用氮化钽材料的半导体特性，可以极大地增加MA 结构的吸波带宽. 文献[10]就采用了一种基于氮化钽材料的宽频带吸波材料，并将这种结构用于微带缝隙天线的RCS 减缩中，使得天线的单站RCS 在2～18 GHz 的超宽频带范围内均有明显的减缩. 文献[11]也将这种采用具有阻抗特性材料作为周期性材料构成的MA 结构用于微带贴片天线的RCS 减缩，最终减缩带宽可达4～22 GHz.尽管这种手段解决了MA 结构的宽频吸波问题，但对于天线的增益也会造成巨大的损失，如文献[11]中天线的增益下降了1 dB.

据此，本文对于基于氮化钽材料的超表面问题进行了研究. 氮化钽MA 结构在介质板的另一侧需要金属板，这里考虑采用带通型FSS 代替原氮化钽MA 结构的金属板. 在FSS 的通带之外也就是阻带的较宽频率范围内，FSS 仍可以被看作金属板，且氮化钽MA 结构的吸波特性能够保留. 而在FSS 的通带范围内，电磁波可以正常通过，并无任何吸波特性.本文将这种具有特殊吸波与透波特性的超表面简称为吸波/透波(absorptive/transmissive，A/T)超表面，并将A/T 超表面作为微带天线的覆层使用，称这种应用方式下的A/T 超表面为A/T 覆层. 将A/T 覆层中氮化钽MA 结构的一侧朝向外部空间，而将FSS 结构一侧朝向天线，并使得天线的工作频带和FSS 的通带相重合. 最终，当天线工作时，由天线辐射出的电磁波可以毫无阻碍地穿过覆层，而由外部空间照射至天线的电磁波在工作频带之外的部分均被上层的氮化钽MA 结构吸收，从而完美地实现了天线的超宽带、带外RCS 减缩，且天线的辐射特性得以保留. 结果表明：在保证天线辐射特性的基础上，微带天线的RCS 减缩频带范围可达5～19 GHz，最大减缩量可达20 dB 以上；同时，天线的单、双站RCS 在较宽的角度范围内也得到明显的缩减.

1 A/T 覆层的设计与分析

A/T 覆层超表面由上层的周期性氮化钽结构以及下层的FSS 结构组成，在对这种复合结构进行分析之前，首先需要对两种结构单独进行仿真，通过对这两种不同结构的A/T 特性进行仿真分析，来帮助我们对所提出的A/T 覆层超表面的原理进行解释与分析.

首先给出基于氮化钽材料的结构型吸波材料仿真实例. 氮化钽为黑色六方结晶，相对密度为13.4，熔点为3 090 ℃，显微硬度为1 100 kg/mm2，电阻率为128 μΩ·cm. 氮化钽材料是一种用来制造精确片状电阻的材料，具有可抵抗水汽侵蚀的特性. 也可用作超硬质材料添加剂，用于喷涂，增加变压器、集成线路、二极管的电稳定性. 本文所有的仿真过程均采用Ansys 公司的HFSS15 软件进行. 图1 所示为氮化钽材料随厚度变化时的吸波特性曲线. 可以看出，氮化钽材料本身是不具备吸波特性的，而随着厚度增大，其特性愈加趋向于全反射. 因此，氮化钽材料无法直接用作吸波材料设计，将氮化钽材料周期性排布并进行单元设计是十分必要的.

图1 氮化钽材料吸波特性曲线Fig. 1 The absorber characteristic curve of the tantalum nitride

图2 所示为采用氮化钽材料置换普通金属贴片后MA 的结构示意图. 氮化钽MA 采用Teflon介质板，介质板介电常数为2.2，正切损耗角为0.000 9，介质厚度为2 mm. 上层由周期性排布的氮化钽材料构成，材料的导电率为7 400 S/m，下层为金属板.

图2 氮化钽MA 结构示意图Fig. 2 The configuration of the tantalum nitride MA unit

图3 给出了氮化钽MA 结构的反射系数随频率变化曲线. 可以看出，在7～22 GHz 频带范围S11均低于-5 dB，说明这种基于氮化钽材料的MA 结构能够实现宽频带吸波. 为了实现本文所提出的A/T 超表面特性，这里又设计了一款带通型FSS. 图4 所示为带通型FSS 结构示意图，由于最终要用FSS 结构置换氮化钽MA 的金属板，因此FSS 在仿真中使用与氮化钽MA 结构相同的介质板.

图3 氮化钽MA 结构反射系数曲线Fig. 3 The S11 of the tantalum nitride MA structure

图4 带通型FSS 结构示意图Fig. 4 The configuration of the band-pass FSS unit

图5 给出了FSS 的S 参数随频率变化曲线. 可以看出，FSS 结构在3.6 GHz 左右产生一组通带，若天线工作频带与FSS 结构的通带重合，则天线辐射的电磁波能够顺利穿过FSS 结构. 因此，本文微带天线实例的工作中心频点为3.6 GHz. 由以上分析可知，当氮化钽MA 结构采用金属板时能够实现7～22 GHz 的宽频带吸波效果，而所给出的FSS 结构能够将天线的工作频带与通带重合. 若将FSS 结构置换氮化钽MA 结构的金属板，则在天线的工作频带范围内，由于FSS 的带通特性，天线辐射的电磁波能够顺利穿过覆层. 在天线的工作频带范围外，FSS 结构可以被当作金属反射板，则氮化钽MA 结构可以正常工作. 因此当天线工作时，由天线辐射出的电磁波可以毫无阻碍地穿过覆层，而由外部空间照射至天线的电磁波在工作频带之外的部分均被上层的氮化钽MA 结构吸收. 为了验证此理论，本文将氮化钽MA 结构与FSS 结构相结合构成A/T 覆层超表面.图6 所示为A/T 超表面单元的结构示意图，A/T 覆层的介质板参数与氮化钽MA 结构所使用的介质板相同.

图5 FSS 的S 参数随频率变化曲线Fig. 5 The S parameters of the FSS vs. frequencies

图6 A/T 超表面单元结构示意图Fig. 6 The configuration of the A/T metasurface unit

图7 给出了A/T 超表面单元的S 参数随频率变化曲线，实线为电磁波照射至A/T 超表面时的反射系数S11，虚线为下方天线辐射的电磁波穿过A/T 超表面的透射系数S12. 仿真时端口1 朝向氮化钽结构一侧，端口2 朝向FSS 结构一侧. 所采用入射波激励为TM 极化，由于所设计单元为非对称结构，因此对于TE 极化效果并不明显. 与前面所给出的FSS 结构的结果类似，A/T 超表面能够在3.6 GHz 左右产生一组通带，与天线的工作频带重合. 说明A/T 超表面作为天线覆层时并未对天线辐射的电磁波产生阻碍，天线辐射的电磁波能够顺利穿过FSS 结构. 而对于外部空间照射至A/T 超表面的电磁波，在7～20 GHz左右反射系数基本低于-5 dB. 其中反射系数的一些峰值是由于FSS 结构中除了3.6 GHz 的通带之外还存在高次模所造成，但基本能够保证天线覆层在除天线工作频带外的较宽频带范围内对入射波的吸收作用.

图7 A/T 超表面单元S 参数随频率变化曲线Fig. 7 The S parameters of the A/T metasurface vs.frequencies

2 A/T 覆层在天线RCS 减缩中的应用

§1 对A/T 超表面进行了仿真分析，本节针对之前给出的A/T 超表面模型，将其作为天线覆层置于微带天线的上方，对使用覆层前后Y 微带天线的辐射散射特性进行分析. 图8所示为微带天线的结构图以及使用A/T 覆层后的天线结构示意图. 微带天线中金属辐射贴片的尺寸为27 mm×25.9 mm，介质板尺 寸 为58.8 mm×58.8 mm×2 mm. 介 质 板 仍 采 用Teflon 板，介电常数为2.2，正切损耗角为0.000 9. 天线馈电采取底馈方式，馈电点距离微带贴片中心距离为4.5 mm，覆层距天线表面18 mm.

图8 使用A/T 覆层的微带天线结构示意图Fig. 8 The configuration of the microstrip antenna with A/T superstrate

首先对天线的辐射特性进行仿真验证，图9 所示为使用覆层前后天线的S11曲线. 可以看出，天线的中心工作频点为3.6 GHz，且使用覆层前后天线的S11基本保持不变. 图10 所示为使用A/T 覆层前后微带天线的辐射方向图主极化与交叉极化曲线. 可以看出，使用A/T 覆层后微带天线的辐射方向图与使用覆层前相比吻合良好，且增益提高了约1.1 dB. 还可以看出，与一般的RCS 减缩技术相比，本文所提出的方法不但没有出现增益的损失还能够小幅提高天线的增益. 其主要原因是，由于天线上方覆层的存在，使得覆层和天线之间产生了Fabry-Perot 谐振效应，起到了一定的波束汇聚作用[2,12]，从而增加了天线的增益. 由以上分析可得，在天线的工作频带内，使用A/T 覆层能够最大限度地保证天线的辐射性能.

图9 使用A/T 覆层前后天线S11 曲线Fig. 9 The S11 of the antenna with and without A/T superstrate

图10 使用A/T 覆层前后天线辐射方向图(3.6 GHz)Fig. 10 The radiation pattern of the antenna with and without A/T superstrate(3.6 GHz)

为了验证使用A/T 覆层的RCS 减缩效果，下面对使用A/T 覆层前后微带天线的单站RCS 进行仿真. 设置入射波沿天线表面的法线方向垂直于天线照射，入射波极化为θ 极化，天线的单站RCS 随频率变化曲线如图11 所示. 可以看出，使用A/T 覆层后，微带天线的单站RCS 在5～19 GHz 频段范围内均有不同程度的缩减，其中在15.4 GHz 时，最大缩减量可达20 dB. 而在9.5 GHz等几个频点所出现的峰值同样是由FSS 结构的高次模造成的，但基本不影响天线在整个频带范围内实现宽频RCS 减缩. 说明将A/T 覆层置于天线上方用于天线RCS 减缩的方法是有效可行的.

图11 使用A/T 覆层前后单站RCS 随频率变化曲线Fig. 11 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate

图12 及图13 给出了不同频率处使用A/T 覆层前后微带天线的单站RCS 随入射波入射角变化的仿真曲线，入射波极化均为θ 极化. 由图12 可知：使用A/T 覆层时，天线xoz面的RCS 减缩区间为-15°≤θ≤15°、40°≤θ≤90°以及-90°≤θ≤-40°，最大减缩量可达10 dB 以上；yoz面的RCS 减缩区间为-10°≤θ≤10°、40°≤θ≤90°以 及-90°≤θ≤-40°. 由图13 可知，xoz面与yoz面上的微带天线单站RCS 均有不同程度缩减，减缩区间为-40°≤θ≤40°、70°≤θ≤90°以及-90°≤θ≤-70°. 由此可得，微带天线使用A/T 覆层后，天线的单站RCS 在一定角度范围内均有明显降低.

图12 使用A/T 覆层前后天线单站RCS 随入射波入射角变化曲线(8.5 GHz)Fig. 12 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(8.5 GHz)

图13 使用A/T 覆层前后天线单站RCS 随入射波入射角变化曲线(15.5 GHz)Fig. 13 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(15.5 GHz)

对应于双站RCS 的角度变化曲线，图14、图15给出了不同频率处使用A/T 覆层前后微带天线的双站RCS 随入射波入射角度变化曲线. 入射波垂直于天线入射，极化方式为θ 极化. 由图14 可知：使用A/T 覆层时，天线xoz面的双站RCS 在天线的整个上方空间实现了全角域的RCS 减缩，最大减缩量可达10 dB 以上；yoz面上双站RCS 的减缩区间为-50°≤θ≤50°. 由 图15 可 知：xoz面 上 微 带 天 线 的 双 站RCS 减缩区间为-45°≤θ≤45°；yoz面上天线的双站RCS 减 缩 区 间 为-30°≤θ≤30°. 由 天 线 的 双 站RCS 随角度的变化曲线可以进一步说明，微带天线使用A/T 覆层后，天线的总体RCS 在一定角度范围内均有明显降低，具有良好的工程应用价值.

图14 使用A/T 覆层前后天线双站RCS 随入射波入射角变化曲线(8.5 GHz)Fig. 14 The comparison of the bistatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(8.5 GHz)

图15 使用A/T 覆层前后天线双站RCS 随入射波入射角变化曲线(15.5 GHz)Fig. 15 The comparison of the binostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(15.5 GHz)

3 结 论

本文提出一种采用A/T 超表面用以天线覆层，利用覆层对于不同方向电磁波入射时所呈现的不同电磁特性，最终实现了微带天线的宽带RCS 减缩. 相比于现有文献，本文所提出的方法可最大限度地保留天线辐射性能的前提下，实现天线的超宽带、带外RCS 减缩. 研究结果可为国防机载弹载天线的RCS 控制领域提供技术支持，还可与材料学科领域交叉，提升吸波特性与带宽.