基于频率选择面低雷达散射截面的波导天线设计

何恺　吕英华　张金玲

(北京邮电大学,北京 100876)



基于频率选择面低雷达散射截面的波导天线设计

何恺吕英华张金玲

(北京邮电大学,北京 100876)

摘要设计了一种可以缩减波导缝隙天线带内雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)的频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)结构. 该结构采用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC)方环为基本单元,螺旋排布的方式组成FSS反射地板,波导缝隙天线作为底部馈源. 为了证明该天线在带内具有良好的RCS缩减性能,采用了同等大小的金属地板作为参考天线地板进行对比. 仿真计算结果表明,当入射波垂直入射天线时,天线带内RCS可达-25 dB,所设计的结构具有良好的带内RCS减缩性能,同时保持了正常的天线辐射性能.

关键词雷达散射截面;波导缝隙天线;频率选择表面

引言

雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)表示目标对入射电磁波散射特性的物理量. 随着侦测技术和隐身技术的发展,天线RCS的缩减已经越来越受到各国学者的热衷与关注,同时在军事上有着重要的意义. 目前,用于天线RCS缩减的超材料结构主要有:电磁带隙结构[1]、人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC)结构[2-3]、频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)结构[4-6]、吸波结构[7]等. FSS结构是由周期性排列的金属贴片单元或金属屏上周期的开孔单元构成的一种二维周期阵列结构,与电磁波相互作用能表现出明显的带通或带阻的滤波特性,因此,该结构的特殊性质可用于RCS的缩减研究. 天线作为辐射能量的主要器件,其散射性能相对较差,实际工程中需要对天线系统的散射性能加以改善,往往散射性能的改善又会导致辐射性能变差. 由于天线本身的辐射性能,带内RCS的缩减比带外RCS的缩减更加困难.

波导缝隙天线[8]因为其结构紧凑和性能稳定等优点被广泛应用于雷达系统中,其在飞行器头部方向会产生较强的RCS,因此,研究波导缝隙天线RCS的缩减具有非常重要的实用性.

本文设计了一种加载螺旋分布AMC的FSS反射板的波导缝隙天线,利用三维电磁仿真软件CST对该结构进行仿真模拟．仿真结果表明,天线带内RCS最大可达-25 dB,具有良好的减缩特性且保持了正常的辐射性能.

1理论分析

天线散射通常由两部分组成,一种是与负载无关的结构模式项散射场,另一种是随负载变化的天线模式项散射场. 将AMC方环对称螺旋排布,不同旋转方向对入射电磁波的反射存在相位差,根据相位相消原理,通过调整AMC单元尺寸以及单元间距即可适当调整螺旋结构之间相位差,从而有效减小天线的结构项散射场,使天线带内RCS得到有效缩减.

电磁波经过相邻螺旋AMC单元时,相邻AMC等效的辐射场为:

EAMC1=A·ej·φ1;

(1)

EAMC2=A·ej·φ2．

(2)

式中: A为表面产生的电磁幅度; φ1和φ2分别为AMC1和AMC2的反射相位．

等效辐射总场为

E=EAMC1·F1+EAMC2·F2．

(3)

当电磁波垂直入射时,有F1=F2=2,其中F1和F2为阵列参数.将式(1)、(2)带入式(3)化简得

E=2A·(ej·φ1+ej·φ2)．

(4)

相邻单元等幅同相的反射场为

E0=4A·ej·φ1．

(5)

若要RCS缩减量达到10dB,即

|E|2/|E0|2≤-10dB,

(6)

将式(4)、(5)代入式(6)得相邻AMC单元相位差范围为

143°≤|φ1-φ2|≤217°．

(7)

由于AMC单元的高阻抗特性可以抑制波导缝隙天线辐射缝隙周围的表面波,使天线的辐射性能得以改善,从而在缩减RCS的同时保持了天线的正常辐射性能.

2频率选择表面的基本结构

所设计的频率选择表面结构以AMC方环为基本单元,如图1所示．根据式(7)得出的相位差范围,经扫参优化后其尺寸大小为:单元周期p=1 mm,方环外边长a1=0.96 mm,内边长a2=0.38 mm. 将AMC单元螺旋排布并构成FSS单元模块,如图2所示,螺旋排布的AMC结构边长a=10 mm. 相邻螺旋排布的AMC单元反射相位差曲线如图3所示,有效反射相位差对应频段为5.35～6.4 GHz.

图1　AMC方环结构图

图2　螺旋排布的AMC结构图

图3　相邻螺旋AMC单元反射相位差

3实验结果分析

加载FSS的波导缝隙天线结构如图4所示,选用的介质板为聚四氟乙烯玻璃布板(F4B-2),介电常数为2.65,整体尺寸为120 mm×120 mm×3 mm,上层为FSS表面,下层采用金属接地板,底部为波导缝隙天线馈电,馈电波导采用标准波导(国标BJ-58),波导缝隙长26 mm、宽2 mm,缝隙板边长为40 mm. 参考天线选用同等大小的金属表面作为天线的反射板.

图4　加载FSS的波导缝隙天线

采用三维电磁仿真软件CST进行建模与仿真,得到天线单站RCS如图5所示,天线RCS最大缩减量频段为5.4 GHz,达到了25 dB,极大地改善了天线的散射性能. 天线的反射系数如图6所示,工作频段为5.4～5.9 GHz,中心频率为5.6 GHz,由于带阻型FSS在工作频段内具有良好的反射特性,因此在中心频率附近RCS缩减变小,整体缩减对应频段满足公式(3)所对应的反射相位差频段. 5.6 GHz天线方向图如图7所示. 图中曲线对比表明,加载FSS的波导缝隙天线保持了良好的辐射性能.

图5　天线雷达散射截面曲线

图6　天线的反射系数曲线

(a) E面

(b) H面图7　5.6 GHz天线方向图

4结论

本文基于AMC单元结构,通过螺旋排布AMC方环,设计了一种高性能的FSS结构,并将其应用在波导缝隙天线上,极大地缩减了天线带内RCS,在改善了天线散射性能的同时保持了天线良好的辐射性能,并通过仿真计算得到验证. 本文的研究设计有利于高性能FSS的进一步研究以及为波导缝隙天线带内RCS的缩减提供了一种新的解决思路.

参考文献

[1]景振毅, 张光甫, 王彬虎, 等. 基于EBG 结构吸波材料在螺旋天线阵中的应用[J]. 微波学报,2010,26(2): 22-25.

JING Z Y, ZHANG G F, WANG B H, et al. Application of EBG based radar absorbing material to helical antenna array[J]. Journal of microwaves, 2010,26(2): 22-25.(in Chinese)

[2] TSAI Y L, HWANG R B. RCS reduction of a composite AMC structure[C]//IEEE International Workshop on Electromagnetics, Applications and Student Innovation.Taipei, August 8-10, 2011: 210-213.

[3] 李有权, 张光甫, 袁乃昌. 基于AMC的吸波材料及其在微带天线中的应用[J]. 电波科学学报,2010,25(2):353-357.

LI Y Q, ZHANG G F, YUAN N C. Ultra-thin absorber based on the AMC structure and its application to the microstrip antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2010, 25(2): 353-357. (in Chinese)

[4] EDALATI A, SARABANDI K. Wideband, wide angle, polarization independent RCS reduction using nonabsorptive miniaturized-element frequency selective surfaces[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2013, 62: 747-754.

[5] 刘英, 姜文, 龚书喜, 等. 具有RCS减缩效果的超宽带仿生天线[J]. 电波科学学报, 2010, 25(3): 548-552.

LIU Y, JIANG W, GONG S X, et al. Bionic antenna with reduced RCS for ultra-wideband application[J]. Chinese journal of radio science, 2010, 25(3): 548-552.(in Chinese)

[6] 袁子东, 高军, 曹祥玉, 等. 一种性能稳定的新型频率选择表面及其微带天线应用[J]. 物理学报, 2014, 63(1):014102.

YUAN Z D, GAO J, CAO X Y, et al. A novel frequency selective surface with stable performance and its application in microstrip antenna[J]. Acta physica sinica, 2014, 63(1): 014102.(in Chinese)

[7] 李思佳, 曹翔玉, 高军, 等.低雷达散射截面的超薄宽带完美吸波屏设计研究[J]. 物理学报, 2013: 62194101.

LI S J, CAO X Y, GAO J. Design of ultrathin broadband perfect metamaterial absorber with low radar cross section[J]. Acta physica sinica, 2013: 62194101.(in Chinese)

[8] 姚旭, 曹祥玉, 高军, 等. 一种具有增益改善的低散射缝隙天线设计[J]. 电波科学学报, 2012, 27(6):1141-1145.

YAO X, CAO X Y, GAO J, et al. Low scattering waveguide slot antenna design with gain enhancement[J]. Chinese journal of radio science, 2012, 27(6):1141-1145.(in Chinese)

The design of waveguide antenna with low radar cross section based on frequency selective surface

HE KaiLÜ YinghuaZHANG Jinling

(BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

AbstractWe designed a frequency selective surface(FSS) structure which can reduce the radar cross section(RCS)in band of waveguide slot antenna. The structure utilized the artificial magnetic conductor(AMC)loop as the basic unit, which were formed in helical arrangement on FSS reflection board and took the waveguide slot antenna as the bottom feed. In order to prove that the antenna which has good performance in RCS reduction, the same size of metal board is designed to compare with the reference antenna. The simulation results show that, when the wave vertically incident into the antenna, the RCS of antenna can achieve -25 dB, and the antenna maintains good reflective performance and normal radiation performance as well.

KeywordsRCS; waveguide slot antenna; FSS

收稿日期：2015-06-11

中图分类号TN82

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0243-04

DOI10.13443/j.cjors.2015061102

作者简介

何恺(1991-),男,湖北人,北京邮电大学电子工程学院硕士研究生,主要研究方向为电磁超材料及天线设计等研究.

吕英华(1944-),男,辽宁人,北京邮电大学教授,博士生导师,中国邮电高校(英文)学报、电波科学学报、中国高校学术文摘等编委、国家自然基金委的同行评议专家,通信学会高级会员,主要从事电磁兼容与信息安全、电波与天线、生物电子等方面的研究.承担项目30余项.在国内外重要学术刊物及会议上发表文章260多篇.

张金玲(1968-),女,内蒙古人,博士,教授,博士生导师,主要从事电磁场与微波技术、太赫兹电子技术和生物医学电子学领域的研究工作.

何恺, 吕英华, 张金玲. 基于频率选择面低雷达散射截面的波导天线设计[J]. 电波科学学报,2016,31(2):243-246. DOI: 10.13443/j.cjors.2015061102

HE K, LÜ Y H, ZHANG J L. The design of waveguide antenna with low radar cross section based on frequency selective surface [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):243-246. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015061102

资助项目: 国家自然科学基金(No.61171051)

联系人： 何恺 E-mail：627047039@qq.com