一种宽带吸波超材料在天线RCS缩减中的应用

耿彦峰，丁梦洁，裴立力，李昊璇，韩丽萍，韩国瑞

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

超材料是一种呈现天然材料所不具备的超常物理性质的人工电磁材料.目前，超材料被广泛应用于雷达散射截面(RCS)的缩减、能量采集、传感等方面.2008年，Landy等[1]利用超材料的电磁耦合谐振特性，首次提出了由电谐振器、损耗介质和金属微带线构成的具有完美吸波特性的吸波超材料.但是，因为吸波超材料仅在特定的波长谐振，所以，它们的带宽通常较窄.如何有效拓宽吸收带，已经成为吸波超材料的研究热点.国内外学者相继提出了多种拓宽吸波超材料带宽的方法.文献[2]中，吸波超材料由4个箭头构成的谐振单元周期排列组成，通过分析其单元的谐振模式，设计了一个极化稳定的双频吸波体和一个小型化的单频吸波体；文献[3]中，吸波超材料中使用了VO2材料，在1.08 GHz～2.55 GHz(相对带宽81%)范围内吸收率能够达到90%以上；文献[4]通过在吸波超材料中加载两组不同的LC谐振器，获得了分别为3.33 GHz～6.26 GHz和7.09 GHz～10.36 GHz的两个吸收带；文献[5]提出了一种由三维分形树结构组成的吸波超材料，实现了5.2 GHz～11.9 GHz的宽带吸波；文献[6]中所提出的吸波超材料，利用多层电阻式超表面来拓宽吸收频带，其吸波率在7.0 GHz～37.4 GHz(相对带宽为137%)的频带范围内均能保持在90%以上.

近年来，由于吸波超材料能够有效吸收入射电磁波，已逐渐成为降低天线RCS的主要方法之一.Liu 等[7]设计了一款基于树形分形结构的微带天线，其RCS仅在10 GHz处获得15 dB的缩减；文献[8]中设计了一种单层双频带阻型超表面，加载到双频微带天线周围后，天线的RCS在7.71 GHz和11.88 GHz处分别缩减了36.99 dB和26.07 dB；文献[9]提出了一种带集总电阻的轮状频率选择吸波器，将其作为天线覆层，能够在 2 GHz～4.41 GHz和5.43 GHz～8 GHz范围内使RCS平均减少9 dB；文献[10]中，天线通过加载匹配负载，在y极化波垂直入射时，实现了 6.0 GHz～8.5 GHz范围内RCS的缩减；文献[11]介绍了一种亚波长周期性阵列结构的吸波超材料，使天线的RCS在7.5 GHz～9.5 GHz降低了10 dB以上；文献[12]中，通过将天线周围的超表面结构编码优化，能够使8 GHz～12 GHz的RCS平均减少8.76 dB；文献[13]中，将基于交指型阻抗谐振器的吸波超表面作为天线覆层，缩减了天线在5 GHz～9.1 GHz和11.4 GHz～16.1 GHz 范围内的RCS，但峰值增益减小0.7 dB；文献[14]采用四谐振吸收结构作为宽带偶极子天线的接地层，可在2 GHz～2.7 GH范围内有效缩减天线RCS，在1.66 GHz～2.76 GHz的工作频率内，天线整体增益有明显的下降趋势，仅峰值增益可保持在6.8 dBi以上.综上所述，虽然吸波材料的加载能有效降低天线的RCS，但也会对天线的辐射性能造成一定程度的影响.因此，如何在保障辐射性能的前提下，有效缩减天线带内外RCS仍然是一个有待解决的难题.

针对上述问题，本文设计了一种由圆环和带电阻方环周期排列构成的宽带吸波超材料.吸波单元由一个带电阻方环和位于方环各顶角周围的1/4圆弧构成，由10×10单元构成的吸波超材料能够产生两个相邻的吸收峰，在宽带范围获得良好的吸波效果.基于该吸波超材料，本文设计了一种宽带低RCS的贴片天线，能够在保障其辐射性能的同时减少天线带内外RCS.

1 吸波超材料

1.1 吸波单元结构

吸波单元具体结构如图1 所示，是一层介质和两层金属组成的3层式结构，单元尺寸为 10 mm×10 mm×3.2 mm.其上层金属是由4个1/4圆弧围绕一个带电阻的方环顶角构成的谐振单元；中间层为FR4介质层，相对介电常数εr=4.4，损耗正切tanδ=0.02；底层为金属板.由于环形结构的吸波超材料的谐振波长与其周长相对应[15]，当方环边长a=6 mm、圆弧半径c=2 mm时，吸波单元在7.5 GHz和11.7 GHz处产生两个相邻谐振点，实现宽的吸收带.4个阻值R=150 Ω 的电阻分别设置在方环的4条边上，并且为了方便电阻的焊接，在方环上增加边长e=0.6 mm 的方形焊盘.吸波单元结构的具体尺寸为：方环边长a=6 mm；方环边宽b=0.15 mm；焊盘边长e=0.6 mm；1/4圆弧半径c=2 mm；圆弧边宽d=0.2 mm；电阻R=150 Ω.

(a)俯视图

吸波超材料的底层为完整金属板时，电磁波很难透射，所以，传输系数很小(S12=0).由式(1)计算可得出吸波率

(1)

式中：A(ω)代表吸波率；S11代表反射系数；S12代表传输系数.本文所设计的吸波单元反射系数和吸波率的仿真结果如图2 所示.在相对带宽约为63 %(6.5 GHz～12.5 GHz)的频带内，该单元的反射系数均小于-10 dB，并且吸波率超过90%.在7.5 GHz和11.7 GHz处的峰值吸波率达到98%，此时，大部分入射电磁波都被集总电阻转化为热能所耗散.

图2 吸波单元仿真结果

1.2 吸波材料结构分析

图3 展示了吸波单元结构演变过程.由于环形结构具有良好的极化稳定特性，所以在吸波单元的设计中采用了周期性的圆弧和方环结构.图3(a)中单元仅在4个角印制相同的1/4圆弧结构；图3(b)为加载集总电阻的方环结构；图3(c)中单元结构由圆弧和方环组合构成；图3(d)给出了3种结构的反射系数.可以看出，仅有圆弧结构的单元在12.2 GHz有一个弱谐振点；仅方环结构的吸波单元在6.9 GHz有一个强谐振点；而由这两种谐振单元组合构成的吸波单元在6.5 GHz～12.5 GHz的宽带内与自由空间达到阻抗匹配，实现了宽带平稳高吸收的特性.

图3 吸波单元演变图

在其他参数不变的情况下，分别对吸波材料的方环边长a、圆弧半径c和电阻阻值R3个参数进行分析.图4(a)给出了方环边长a对吸波单元反射的系数的影响.

(a)不同方环边长a下反射系数

随着方环边长a由5.4 mm增大到6.4 mm，该单元的较低频谐振点由 8.6 GHz 逐渐移动至6.9 GHz，反射系数幅值逐渐减小；较高频谐振点的谐振频率受影响较小，反射系数幅值逐渐增加.图4(b)展示了圆弧半径c对吸波单元反射系数的影响，可以看出，当圆弧半径c从1.7 mm增加到2.3 mm时，吸波单元的较高频谐振点有明显向低频移动的趋势，并且反射系数幅值逐渐减小，而较低频谐振点基本不受影响.因此，对方环边长a和圆弧半径c进行合理的取值，吸波超材料能在X波段实现良好的吸波效果.

从图5 给出的电阻值R对吸波单元反射系数的影响来看，电阻的取值主要影响吸波单元的吸收峰.可以看到，当电阻从100 Ω增加到300 Ω时，吸波单元在6.7 GHz和12 GHz的两个吸收峰逐渐靠拢.为了获得宽带吸波效果，电阻的阻值最终选取为150 Ω.

图5 不同电阻R下吸波单元的反射系数

1.3 吸波材料性能分析

图6(a)展示了在不同极化角度下吸波材料的吸收率.可以看出，当极化角度从0°增大到90°时，所设计吸波材料的吸收性能保持不变，表明该吸波材料具有极化稳定的优点.当TE极化波以不同角度入射时，吸波材料的吸收性能如图6(b)所示.当入射角度从0°增大到30°时，该吸波材料在6.5 GHz～12.5 GHz范围内其吸波率均能达到90%以上，当入射角度增大到45°时，其吸波率仍能保持在80%以上.由此可见，所设计吸波材料具有在大入射角下吸收性能稳定的优点.

(a)不同极化角度φ

为了验证所提出吸波材料的宽带吸收特性，制作了吸波材料测试样品，具体测试方法如图7(a)所示.在微波暗室中，由Agilent N5230A矢量网络分析仪连接两个喇叭天线来进行信号的发送和接收，吸波材料置于两个喇叭天线的正前方，以测试其在电磁波垂直入射时的反射系数.所测吸波阵列由10×10吸波单元构成，其整体尺寸为100 mm×100 mm，如图7(b)所示.利用式(1)将所测得的反射系数换算成吸波率后可知，吸波阵列在8 GHz～14.84 GHz(相对带宽 59.89%)范围内的吸波率均在90%以上，并且在 8.47 GHz 处吸波率峰值达到99.75%.与仿真结果对比，测试的吸波频带整体往高频偏移，但该误差对于吸波单元的整体吸波效果来说是可以接受的.

(a)测试方法

2 低RCS贴片天线

2.1 天线结构

低RCS贴片天线结构如图8 所示.所设计天线是将10×10的吸波超材料中心的2×2个单元去掉，形成一个尺寸为15 mm×15 mm×1.6 mm的矩形窗后，将一个尺寸为9.1 mm×6.2 mm的矩形辐射贴片嵌入在矩形窗内，并通过距离中心为1.7 mm处的同轴探针进行馈电，天线中心频率为10.1 GHz.

(a)俯视图

2.2 仿真和测试

为了研究吸波材料对于天线性能的影响，将未加载上层吸波结构的设计天线作为参考天线.图9 展示了参考天线和设计天线的实物图.在微波暗室中，采用Agilent N5230A矢量网络分析仪进行测试，如图10～图12 所示.由图10 天线反射系数的仿真和测试曲线可知，天线的-10 dB工作频段分别为9.6 GHz～10.5 GHz和9.3 GHz～10.1 GHz.吸波结构的加载对天线的工作频率没有明显影响，但是天线工作频带的测量值比仿真值向低频偏移了300MHz.仿真与测试结果存在差异的主要原因是实物中介质板的介电常数存在偏差.

图9 天线实物图

图10 天线反射系数对比曲线

图11(a)和图11(b)分别为9.85 GHz时E面和H面的辐射方向图.可以看出，与参考天线相比，所设计天线在E面和H面的后向和侧向辐射均有明显缩减，特别是天线背瓣减小了 16 dB，吸波超材料的加载起到改善天线辐射方向性的作用.参考天线和设计天线的峰值增益分别为4.97 dB和 5.17 dB，加载吸波超材料后，天线的增益提高了0.2 dB.

(a)E面

在设计天线与参考天线保持参数相同的情况下，给出在不同尺寸金属地时的单站RCS缩减量，如图12(a)所示.可以看出，随着金属地尺寸的增大，与参考天线相比，设计天线的单站RCS缩减效果逐渐加强，缩减峰值由15.16 dB逐渐增大到19.81 dB，在6 GHz～12 GHz范围内天线RCS的平均缩减量由9.23 dB逐渐增大到10.31 dB.为了在加载最少吸波体的情况下，使天线RCS在6 GHz～12 GHz范围内平均缩减 10 dB 以上，选择金属地尺寸为50 mm×50 mm的天线进行实物测试.图12(b)给出了当金属地尺寸为50 mm×50 mm时，天线单站RCS缩减量的仿真和测试结果对比.仿真RCS的最大缩减量在7.4 GHz处为18.26 dB，在6 GHz～12 GHz频率范围内平均缩减了10.2 dB，在天线工作频带内平均缩减7.1 dB；测试RCS的最大缩减量在 7.68 GHz 处为23.54 dB.相较于仿真结果，测试的RCS缩减频带整体向高频偏移，造成频带偏移的原因是电阻阻值存在偏差，但RCS缩减量的变化趋势基本一致.验证了所设计贴片天线具有宽带低RCS特性.

(a)不同尺寸下天线的RCS缩减量

3 结 语

本文设计了一种由圆环和带电阻方环周期排列构成的宽带吸波超材料，其单元由一个带电阻的方环和位于方环各顶角周围的1/4圆弧构成.电磁波垂直入射时，由10×10单元构成的吸波超材料的吸波率在6.5 GHz～12.5 GHz(相对带宽为63 %)宽频带范围内能够达到90%以上.随后，基于该吸波超材料提出了一种宽带低RCS的贴片天线.测试结果表明：所设计吸波超材料在 8 GHz～14.5 GHz的宽频带范围内吸波率均在90%以上，在8.47 GHz处的峰值吸波率达99.75%.所设计天线的RCS在9.3 GHz～10.1 GHz 的工作频带内平均缩减了8.1 dB，在6 GHz～12 GHz频率范围内平均缩减了10.2 dB，在7.68 GHz处RCS缩减量最大，达到23.54 dB，同时天线的辐射方向性得到明显改善.