阻抗型FSS在阵列天线RCS减缩中的应用

王 帆,龚书喜,王夫蔚

(西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安 710071)

阻抗型FSS在阵列天线RCS减缩中的应用

王 帆,龚书喜,王夫蔚

(西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安 710071)

设计了一种环状阻抗型频率选择表面吸波结构,并对其单元的电磁特性进行了详细分析.在此基础上将该阻抗型频率选择表面吸波结构应用于微带阵列天线雷达散射截面的减缩中.阻抗型频率选择表面结构由周期排列的频率选择表面单元组成,每个单元均由3个阻抗环构成,阵列天线为2×2的微带贴片天线阵,并将阻抗性频率选择表面结构排列在阵列天线单元之间.仿真结果表明,该结构可在6～22 GHz频段内表现出良好的吸波特性.将其加载于微带阵列天线时,对天线的辐射特性产生的影响较小,且天线的单站雷达散射截面减缩效果明显,最大减缩量可达27 dB,实现了宽带、宽角域的天线雷达散射截面减缩.

阻抗型频率选择表面;雷达散射截面减缩;微带阵列天线

随着现代科技的发展,探测技术及手段的逐渐进步,对隐身技术提出的要求也越来越高.雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)是隐身和反隐身技术中表征目标可识别特性的一个最基本的参数.阻抗型频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)在阵列天线RCS减缩中的应用一般用来衡量雷达目标的反射能量.随着隐身和反隐身技术的飞速发展,如何降低RCS作为军事领域的重要问题,已经受到越来越多的学者关注.同时,天线作为低可见平台上主要的RCS贡献源,其RCS减缩问题也变得尤为重要[1-3].

人工电磁材料作为RCS减缩的一种有效的方法,发展也十分迅速.现有的人工电磁材料包括FSS[4-6]、高阻抗表面(High Impedance Surface,HIS)[7]、结构性吸波材料(structural Radar-Absorbing Material, RAM)[8-9]和左手材料(Left-Handed Metamaterials,LHM)[10]等.对于吸波材料,良好的吸波性能、宽的吸波带宽以及厚度之间很难做到统一.因此,区别于一般由金属构成人工材料的基本单元.具有阻抗特性的FSS可实现超宽带,并且有降低介质厚度的效果[11],但同时也提高了加工难度以及生产成本.文献[12]将整个吸波层替换为阻抗型的FSS层,展宽了其S11的带宽,并且使材料的厚度小于λ/4.

微带天线由于其本身低剖面、低成本、便于加工等特点,在通信系统中的应用越来越广泛,同时,微带天线的RCS减缩问题,也受到很多学者的关注,取得了巨大的进展.在微带天线上加载FSS结构就是一种有效的减缩RCS的方法,但是减缩的带宽一般较窄,对于宽带RCS减缩方面,FSS却少有应用.笔者在文献[12]中材料的基础上加以改进,并将其加载于微带阵列天线上,用来减缩其RCS.并分析了阻抗型FSS结构的基本特性,将其应用于微带天线的RCS减缩中.结果显示,阻抗型FSS结构在6～22 GHz对微带阵列天线的RCS有明显的减缩效果.在±45°的角域内,对天线的RCS均有较好的缩减效果,最大减缩量可达27 dB,与此同时,天线的辐射特性基本保留.因此,这种阻抗型FSS结构可在一定角域内实现天线的宽带RCS减缩.

1　阻抗型FSS结构单元及其电磁特性分析

阻抗型FSS结构单元如图1(a)所示,共由3部分组成:最上层的3个同心方环阻抗型贴片、中间层的介质以及接地板.以下对于此种结构的吸波特性进行详细分析,文中所有结果均用Ansoft高频结构仿真(High Frequency Structure Simulation,HFSS)软件得出.

图1　阻抗型FSS的单元模型以及吸波特性

单元周期D=7 mm,介质厚度T=3 mm,介电常数εr=2.2,外环外径L=6 m m.3个环阻值均为45Ω.外环宽度w1=0.5 mm,外环与中环间距s1=0.5 mm,中环宽度w2=0.5 mm,中环与内环间距s2=0.4 mm,内环宽度w3=0.5 mm.

分别对单环、双环以及三环结构进行仿真得出其吸波性能,如图1(b)所示.可以看出,单环结构对应的两个较窄的频段(6.8～8.8 GHz以及19.6～26.0 GHz)内均有较好的吸波特性;二环结构中间部分以及低频段(6.7～10.2 GHz)吸波特性有所提升,但是所呈现的带宽较窄;三环结构中,中部频带的反射系数已经接近-10 dB,呈现出宽带的吸波性能的可能.

图2　经改进后的单元结构示意图以及与三环结构的吸波特性对比图

文中在三环结构的基础上进行改进,使其达到宽带化的目的.经过改进后的FSS结构图如图2(a)所示.图2中,连接外环与中环的贴片宽度为w1,连接中环与内环的贴片宽度为w2.仿真结果如图2(b)所示.表1给出了不同结构下的带宽以及吸波深度.可以看出,经过改进后的结构表现出更好的吸波性能以及更宽的带宽.

表1　带宽以及吸波深度统计

当入射波角度分别在θ=0°、θ=15°、θ=30°及θ=45°时,对改进后的阻抗型FSS结构进行仿真,分析其吸波特性的变化,得到如图3所示的结果.可以看出,这种经过改进的环形阻抗型FSS结构,在入射波垂直入射时吸波性能最好,当入射波角度慢慢变大时,吸波能力会逐渐下降.

图3　入射角度不同时改进后的阻抗型FSS结构吸波特性变化

2　阻抗型FSS结构在微带天线RCS减缩中的应用

2.1阻抗型FSS结构加载对微带阵列天线辐射特性的影响

上节介绍了一种阻抗型FSS结构,这种结构在入射波垂直入射时有较好的宽带吸波特性.因此,将这种结构加载于微带阵列天线上,可有效降低天线的RCS.阵列天线采用2×2的阵列,天线模型以及加载阻抗型FSS结构后的模型如图4所示.天线阵列单元尺寸l×w=11.2 mm×10.4 mm,介质板介电常数εr=2.2,整体尺寸L×L×h=94.8 mm×94.8 mm×3.0 mm,阻抗型FSS单元间距a=1 mm.

图4　阵列天线以及阻抗型FSS结构加载于天线阵列上的示意图

通过HFSS仿真得到天线以及加载阻抗型FSS结构后天线的反射系数如图5(a)所示,微带阵列天线谐振于8.6 GHz,加载阻抗型FSS结构后谐振频率有略微偏移,但基本保持不变,S11也有少部分的损失.图5 (b)及图5(c)给出了加载阻抗型FSS结构前后微带阵列天线的增益方向图变化.可以看出,增益方向图变化不大,主瓣增益从11.5 dB降低到10.5 dB.因此,加载阻抗型FSS结构并未对微带阵列天线的辐射特性造成太大的影响.

图5　加载阻抗型FSS结构前后微带阵列天线的反射系数以及方向图

2.2阻抗型FSS结构加载对微带阵列天线散射特性的影响

这里对微带阵列天线的散射特性进行分析,采用2.1节所用的模型.首先分析当入射波垂直入射时,阻抗型FSS结构对微带阵列天线RCS对频率变化的影响,如图6所示.可以看出,在加载阻抗型FSS结构后,微带阵列天线的RCS从6 GHz到22 GHz均有明显的减缩,最大处减缩了25 dB.由此说明,用此阻抗型FSS结构实现宽带的天线RCS减缩是可行的.

图6　加载阻抗型FSS结构前后微带天线频域以及角域RCS对比图

接着对入射波从各个不同的角域入射时,阻抗型FSS结构对微带阵列天线RCS的影响进行分析.当入射波频率为8.5 GHz时,得到如图6(b)和图6(c)的结果:当φ=0°时,微带阵列天线的单站RCS在-33°＜θ＜33°的角域内都有很好的减缩,最大缩减了10 d B.当φ=90°时,在-33°＜θ＜33°角域内,微带阵列天线的RCS都得到了很明显的缩减效果,最大处减缩了27 dB.可以看出,在-33°＜θ＜33°角域内,阻抗型FSS结构对微带阵列天线的RCS有较好的控制.

3　结束语

文中介绍了一种经过改进的环状阻抗型FSS吸波结构,并将其应用到微带阵列天线RCS减缩中.首先分别对普通的单环、双环及三环的环状阻抗型FSS进行了电磁分析及对比.在此基础上,设计出一款宽带的具有良好吸波特性的阻抗型FSS吸波结构.随后将该FSS结构按周期排布于微带阵列天线上,用来降低天线的单站RCS.实验结果表明,该结构能够在最大限度保留微带天线辐射性能的前提下,实现天线的宽带RCS减缩.

[1]龚书喜,刘英,张鹏飞,等.天线雷达截面预估与减缩[M].西安:西安电子科技大学出版社,2010.

[2]PAN W B,HUANG C,CHEN P,et al.A Low-RCS and High-gain Partially Reflecting Surface Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(2):945-949.

[3]de COS M E,ALVAREZ L Y,LAS-HERAS F.On the Influence of Coupling AMC Resonances for RCS Reduction in the SHF Band[J].Progress in Electromagnetics Research,2011,117:103-119.

[4]JIA Y T,LIU Y,WANG H,et al.Low RCS Microstrip Antenna Using Polarisation-dependent Frequency Selective Surface[J]Electronics Letters,2014,50(14):978-979.

[5]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,2014,62(2): 747-754.

[6]GENOVESI S,COSTA F,MONORCHIO A.Wideband Radar Cross Section Reduction of Slot Antennas Arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(1):163-173.

[7]龚琦,张帅,龚书喜,等.利用高阻抗表面缩减天线雷达截面的新方法[J].西安电子科技大学学报,2012,39(3): 120-125. GONG Qi,ZHANG Shuai,GONG Shuxi,et al.Application of the High Impedance Surface for RCS Reduction of the Antenna[J].Journal of Xidian University,2012,39(3):120-125.

[8]王夫蔚,龚书喜,张鹏飞,等.结构型吸波材料在阵列天线RCS减缩中的应用[J].西安电子科技大学学报,2012, 39(5):116-120.WANG Fuwei,GONG Shuxi,ZHANG Pengfei,et al.Radar Absorbing Material Applied to the RCS Reduction of Array Antennas[J].Journal of Xidian University,2012,39(5):116-120.

[9]SUJATHA M N,VINOY K J.A Thin Radar Absorbing Material Using a Stacked Ring-patch Array[C]//4th IEEE Applied Electromagnetics Conference.Piscataway:IEEE,2013:7045116.

[10]王夫蔚,梁瑞香,龚书喜,等.左手材料在天线角域RCS控制中的应用[J].西安电子科技大学学报,2013,40(6): 96-100. WANG Fuwei,LIANG Ruixiang,GONG Shuxi,et al.Left-handed Metamaterials Applied to the RCS Reduction of Antenna[J].Journal of Xidian University,2013,40(6):96-100.

[11]LUO Y,ZHUANG Y,ZHU S Z.Thin and Broadband Salisbury Screen Absorber Using Minkowski Fractal Structure [C]//Asia Pacific Microwave Conference.Piscataway:IEEE,2009:2573-2576.

[12]LI M,XIAO S Q,BAI Y Y,et al.An Ultrathin and Broadband Radar Absorber Using Resistive FSS[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012,11:748-751.

(编辑:齐淑娟)

Resistive FSS applied to the RCS reduction of array antennas

WANG Fan,GONG Shuxi,WANG Fuwei
(Science and Technology on Antenna and Microwave Lab.,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

A ring-shaped resistive frequency selective surface(FSS)microwave-absorbing structure is designed and applied to the RCS reduction of the microstrip antenna array.The resistive FSS structure is constructed from resistive treble-square loops arranged in a periodic array.An array with four patch elements is designed,and the resistive FSS is located between two patch elements.Simulated results show that the proposed structure shows a good microwave absorbing characteristic in the frequency range of 6 GHz to 22 GHz.When loaded in a microstrip antenna array,the RCS of the array antenna can be reduced to the maximum of 27 dB with little impact on the antenna’s radiation characteristic.And the control of the wideband RCS of the antenna can be realized with this structure.

resistive frequency selective surface(FSS);RCS reduction;microstrip antenna arrays

TN82

A

1001-2400(2016)04-0081-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.04.015

2015-03-28 网络出版时间：2015-10-21

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(XJS14041);国家自然科学基金资助项目(61401327,61201018,61471278)

王 帆(1991-),男,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail:wangfan1630@gmail.com.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151021.1046.030.html