基于UC-EBG的吸波结构设计及其在微带天线中的应用❋

张浩❋❋，曹祥玉，杨欢欢，赵一，郑秋容

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

基于UC-EBG的吸波结构设计及其在微带天线中的应用❋

张浩❋❋，曹祥玉，杨欢欢，赵一，郑秋容

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

在共面紧凑型光子晶体结构（Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap，UC-EBG）基础上加载集总电阻，设计出一种新型吸波结构，并分析了其吸波原理。将其加载于微带天线，用于减缩天线带内雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）。仿真结果表明，在谐振频点，该吸波结构的吸波率达到99.8%。加载该结构后，天线的辐射性能基本保持不变，而对于垂直入射的TE波和TM波，其带内RCS分别减缩了26.22 dB和15.08 dB。实测结果与仿真结果较为吻合，证实了该结构可以减缩微带天线的带内RCS，从而提高其带内隐身性能。

微带天线；吸波结构；UC-EBG；带内隐身；RCS缩减

1 引言

随着电子战的发展，天线系统的隐身引起越来越多的重视。微带天线以其重量轻、低轮廓、易于制造和易于飞行器表面共形等优点，在各种作战平台上得到了广泛应用，但微带天线雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）对作战平台整体的RCS贡献较大的问题日益突出。因此，降低微带天线RCS成为了近年来隐身方面研究的热点［1－4］。

加载雷达吸波材料可以有效减缩天线的RCS。最常用的雷达吸波材料是Salisbury屏［5］，但该结构的厚度具有1／4波长的限制，它是由损耗层和间隔层组成的一种结构，将电阻片放置在距离金属底板1／4波长处，能有效吸收电磁波。但该结构相对较厚，不适合直接应用于天线。为了设计超薄结构，研究人员提出利用EBG结构加载集总电阻的方法来实现超薄吸波［6－7］。但是传统的EBG结构有金属过孔，工艺较复杂，结构不够紧凑，不利于推广。Yang等人提出了一种新型的共面紧凑型电磁带隙结构（UC-EBG）［8］，该结构工艺更为简单，具有平面、紧凑、损耗低的特点，使其广泛应用于微带天线中抑制表面波，提高天线的辐射特性［9－10］，但是这种UCEBG结构缺点是带宽较窄。为了拓展该结构的带宽，文献［11］提出了一种新型的UC-EBG结构，但是该结构不具备损耗特性，只能够抑制表面波的传播，而不能吸收入射的电磁波。

本文结合以上两种结构的优点，通过在新型UC-EBG结构贴片之间加载集总电阻，设计出一种新型吸波结构。该结构能够有效吸收入射的电磁波，且由于没有金属过孔，制作工艺更为简单。将其应用于微带天线，以减缩天线的带内RCS。仿真结果表明，该吸波结构的吸波率达到了99.8%，加载该结构后，微带天线的辐射性能保持不变。对于TE极化和TM极化垂直入射波，天线的RCS分别减缩了26.22 dB和15.08 dB。实物测量和仿真结果基本吻合，验证了设计方法的有效性。

2 基于新型UC-EBG的吸波材料设计

Yang等人提出的UC-EBG单元由四边形贴片和4条连接相邻单元的金属导带组成，如图1（a）所示。相邻贴片单元之间形成等效电容C，连接相邻单元的金属导带形成等效电感L。该结构可以等效成LC谐振电路，在谐振频带内形成频率带隙。其谐振频率ω0和相对带宽BW可以表示为［12－13］

由式（1）和式（2）可得，为了拓宽结构的带隙而保持中心频率基本不变，则可以增加等效电感L，同时减小等效电容C。

文献［11］给出了一种新型的UC-EBG结构。该结构增加了金属导带的长度，提高了等效电感L；同时减小了形成等效电容的相邻贴片的长度，降低了等效电容C，在谐振频率保持基本不变的情况下实现了带宽的提高。该结构制作工艺简单，便于实际应用。但是由于不具有损耗特性，该结构只能抑制表面波传播，不能吸收入射的电磁波。

图1 结构单元图Fig.1 Unit map of structure

本文采用新型UC-EBG结构加载集总电阻设计吸波结构。该结构能有效吸收入射电磁波，同时没有金属过孔，制作工艺简单。该吸波结构由上层金属片、底层金属板以及中间介质层3层组成。其中金属部分为铜，电导率σ＝5.8×107s／m；介质板为聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数εr＝2.65。用基于有限元法的HFSS软件，通过设置主从边界条件和Floquet激励端口，模拟无限周期结构，对该结构进行仿真优化，得到的具体结构参数为：a＝13 mm，b＝8.14 mm，c＝0.45 mm，d＝1.1 mm，e＝0.6 mm，h＝1 mm，R＝4 700Ω。

图2 新型吸波结构单元Fig.2 Unit map of the novel absorber

图3 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit

根据传输线理论，该吸波结构可以等效成图3所示的电路。用Y和Z表示该结构的阻抗和导纳，则

式中，ω为入射波的角频率，R为集总电阻形成的损耗电阻，L是由相邻单元之间的金属导带形成的等效电感，C是有相邻单元之间的间隙形成的等效电容。则

设自由空间的波阻抗为η0，对于垂直入射的电磁波，其反射系数为

由公式（5）可得，设计吸波结构时，在谐振频点尽可能使Z接近于η0，可以使反射率R1趋向于零，从而达到高吸收率的效果。

定义反射率K＝S112，透射率T＝S212，则吸波率A＝1－S112－S212＝1－K－T。由于图2中结构为金属底板，故没有透射，即S212＝0，则A＝1－S112＝1－K。

图4表示在TE极化和TM极化平面波垂直照射下该新型吸波结构的吸波率。由图可得，在两种极化方式下，吸波结构的谐振频率略有偏差，但其吸波率都达到了99.8%，说明该吸波结构对于不同的极化方式具有良好的吸波性能。

图4 新型吸波结构吸波率Fig.4 Absorptivity of the novel absorber

3 加载新型吸波材料的微带天线

微带天线的散射主要包括结构项散射和模式项散射，加载吸波结构主要减小微带天线结构项散射。为了减小天线的厚度，降低吸波材料对天线辐射性能的影响，微带天线和吸波结构共用相同的介质层。将吸波结构加载在天线辐射贴片四周，并与其保持一定的距离。在保证天线正常辐射的情况下，有效吸收入射的电磁波，以缩减天线带内RCS。

微带天线贴片的尺寸为20 mm×16.8 mm，介质板的尺寸为91 mm×91 mm，天线的馈电点距离贴片中心3 mm，介质板的材料为聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为2.65，厚度为1 mm，吸波材料结构尺寸与上节相同，对该结构进行仿真。

图5给出了加载新型吸波材料前后微带天线辐射性能的仿真结果。由图可得，加载吸波材料后，天线的反射系数基本不变；其增益提高了0.4 dB，辐射性能基本保持不变。

图5 天线仿真结果Fig.5 Simulated results of antenna

为了验证仿真结果，加工了实物并对实物进行测量。图6为加工实物图。图7（a）是用Agilent N5230C矢量网络分析仪测试得到的S11曲线，由结果可得，加载吸波材料后天线的反射系数与仿真结果相比基本相同，但谐振频率略有提高。图7（b）、（c）为天线的实测方向图。和仿真相比，实测天线的方向图后瓣增加，但整体趋势保持不变。分析认为，测量结果和仿真结果的差异主要由制造误差和测试环境造成的。

图6 实物图Fig.6 Picture of antenna with absorber

图7 天线实测结果Fig.7 Measured results of antenna

4 天线的RCS减缩

图8给出了在TE极化波和TM极化波垂直入射情况下，天线单站RCS的仿真结果。可以看出，加载了吸波材料后，在5.0～5.4 GHz范围内，其RCS得到显著减缩。图8（a）为TE极化波垂直入射的单站RCS，在5.18 GHz处，RCS从－6.54 dB降到－32.76 dB，减缩了26.22 dB；图8（b）为TM极化波垂直入射的单站RCS，在5.17 GHz处，RCS从－5.45 dB降到－20.53 dB，减缩了15.08 dB。由以上结果得出，在工作频带内，微带天线RCS得到了有效减缩。

图8 单站RCSFig.8 Monostatic RCS of antenna

5 结束语

本文设计了一种新型的基于UC-EBG的吸波结构，研究了其吸波机理，并将该结构加载到微带天线用于减缩天线带内RCS。仿真和实测结果表明，该吸波结构的吸波率达到了99.8%，实现了高吸波率；加载吸波结构对天线的辐射性能影响不大，而天线的带内RCS得到了有效减缩。本文对微带天线的隐身研究具有一定的借鉴意义，但同时也看到，本文设计吸波材料的带宽还不够宽，为了实现对宽带甚至超宽带天线的带内RCS减缩，对其吸波带宽进行拓展将是未来工作的重点。

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ZHANG Hao was born in Huangshan，Anhui Province，in 1990.He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2011.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

Email：mike303200716008＠163.com

曹祥玉（1964—），女，河南南阳人，教授、博士生导师，主要研究领域为天线与电磁兼容、电磁超材料、计算电磁学等；

CAO Xiang-yu was born in Nanyang，Henan Province，in 1964.She is now a professor and also the Ph.D.supervisor.Her research concerns antenna and electromagnetic compatibility，electromagentic metamaterials，and computational electromagnetics.

杨欢欢（1989—），男，河南驻马店人，硕士研究生，主要研究领域为天线设计、人工电磁材料等；

YANG Huan-huan was born in Zhumadian，Henan Province，in 1989.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

赵一（1988—），男，河南开封人，硕士研究生，主要研究领域为天线设计、人工电磁材料等；

ZHAO Yi was born in Kaifeng，Henan Province，in 1988.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

郑秋容（1973—），男，福建仙游人，副教授，主要研究方向为天线设计、人工电磁材料等。

ZHENG Qiu-rong was born in Xianyou，Fujian Province，in 1973.He is now an associate professor.His research concerns antenna design and metamaterial.

Design of an Absorber Based on UC-EBG and its Application in Microstrip Antenna

ZHANG Hao，CAO Xiang-yu，YANG Huan-huan，ZHAO Yi，ZHENG Qiu-rong
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

A novel absorber is proposed based on Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap（UC-EBG）with lumped resistance，and its operating mechanism is analyzed.The new absorber is loaded on microstrip antenna to reduce antenna′s in-band Radar Cross Section（RCS）.The simulated result shows that its absorptivity reaches 99.8%at operating frequency.The loaded antenna′s radiation performance has not been influenced a lot，while for the incident wave of TE and TM mode，the in-band RCS of antenna has declined by 26.22 dB and 15.08 dB respectively.There is a good agreement between measured and simulated results，which verifies that this absorber can be used for reduction of antenna′s in-band RCS so as to improve its in-band stealth performance. Key words：microstrip antenna；absorber；UC-EBG；in-band stealth；RCS reduction

The National Natural Science Foundation of China（No.61271100）；The Natural Science Foundation Key Project of Shaanxi Province（2010JZ010）；The Natural Science Foundation Reasearch Project of Shaanxi Province（2012JM8003）

date：2013－01－05；Revised date：2013－04－03

国家自然科学基金资助项目（61271100）；陕西省自然科学基础研究重点项目（2010JZ010）；陕西省自然科学基础研究项目（2012JM8003）

❋❋通讯作者：mike303200716008＠163.comCorresponding author：mike303200716008＠163.com

TN82

A

1001－893X（2013）07－0944－05

张浩（1990—），男，安徽黄山人，2011年于空军工程大学获学士学位，现为硕士研究生，主要研究领域为天线设计、人工电磁材料等；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.023

2013－01－05；

2013－04－03