基于相位梯度表面的缝隙阵列天线宽带RCS减缩

引 言

隐身技术在现代军事上占据着至关重要的地位. 目前,优化外形结构和涂敷吸波材料等方法对于飞行器本身的雷达散射截面(radar cross section,RCS)减缩能够起到良好的效果.但是,为了保证天线的辐射特性,这些方法不能简单地直接应用于天线的RCS减缩,而飞行器上未经处理的天线会在一定视角范围内产生很强的后向散射. 因此,天线的RCS减缩问题亟待解决. 微带缝隙天线是微带天线的一种,具有结构简单、馈电方便以及能进行双向或单向辐射等优势,被广泛应用于通信领域. 常规的微带缝隙天线通常采用在金属地板上开缝的形式设计,并通过馈线或波导耦合馈电. 若有规律地在金属地板上进行周期性开缝,就形成了缝隙阵列天线. 由于金属地板的存在,缝隙阵列天线会产生较大的后向散射,这就使得常规的缝隙阵列天线不适合直接应用到隐身载体上. 因此,在保证缝隙阵列天线辐射特性的基础上减缩其RCS的方法具有很高的研究价值.

传统的天线RCS减缩方法包括外形技术、加载雷达吸波材料(radar absorbing materials, RAMs)技术以及有源或无源对消技术[1]. 其中,外形技术和加载RAMs技术是比较常用的两种方法. 外形技术通过将雷达信号偏离威胁方向或减小天线面积来减缩天线的RCS[2-4],但该方法会限制飞行器的其他工程应用. RAMs 可以将电磁能量转化为热能[5-7],以此来实现天线RCS减缩. 然而这种方法一般只能用于天线的带外RCS 减缩,否则会严重影响天线的辐射性能. 对于其他的天线RCS减缩方法,文献[8]利用排布在微带天线周围的同心金属实现了6～25 GHz的RCS减缩,然而,该方法只是实现了天线的带外RCS减缩;文献[9]利用极化转化超材料覆层实现了圆极化微带天线9.1～20.4 GHz的宽带RCS减缩,同样也是只实现了天线的带外RCS减缩. 对于缝隙阵列天线的RCS减缩,文献[10]和[11]分别利用极化转换超材料和全息超表面作为天线覆层,在较宽的频带内实现了缝隙阵列天线的RCS减缩,但是,这两种方法也仅仅实现了天线的带外RCS减缩.

基于以上的问题,本文提出了一种基于相位梯度表面来减缩缝隙阵列天线宽带RCS 的新方法. 这种相位梯度表面可以实现空间波(propagating wave, PW)到表面波(surface wave, SW)的转换[12],并且在宽频带内具有奇异反射特性[13-14]. 基于这两个重要特性,它可以用来减小天线的后向散射,从而降低单站 RCS. 利用HFSS对所设计模型进行了仿真以及实际加工测试,仿真和测试结果吻合良好,验证了该方法的可行性.

1 相位梯度表面理论介绍和设计

1.1 相位梯度表面理论介绍

相位梯度表面是一种人工电磁材料,其设计依据是广义斯涅尔定律(generalized Snell’s law). 文献[15]给出了广义斯涅尔定律的公式:

(1)

(2)

公式(1)和(2)分别表示广义斯涅尔反射定律和广义斯涅尔折射定律.式中:θi,θr和θt分别表示入射角、反射角和折射角;ni和nt分别表示两种介质的折射率;为沿着分界面的相位梯度;λ0是自由空间波长.公式(1)表明,自由调整可以改变反射角.显而易见,这与传统的镜面反射是不同的.此外,从公式(1)可以得知相位梯度超表面可以将PW转化为SW. 假设空间波垂直照射到某个特定的相位梯度表面,即θi为0°,并且该表面具有非零相位梯度再假设此时反射波恰好能沿着交界面传播,即θr为90°,则代入公式(1)可得

(3)

式中:k0表示自由空间波数. 公式(3)表明,当满足时,相位梯度超表面可以将PW转化为SW. 由于相位梯度超表面单元高Q值特性,相位梯度表面能将PW转化为SW的带宽很窄,即利用相位梯度表面只能实现窄带RCS减缩. 但是,由于其在高频段的相位不连续特性,会发生奇异反射,并且这种奇异反射特性也遵循广义斯涅尔定律. 因此,利用相位梯度表面可以实现宽带RCS减缩.

所以,若能合理地设计超表面单元,使其满足公式(3),就能在宽频带内降低电磁波的后向散射,实现宽带单站RCS减缩.

1.2 相位梯度表面设计及结果分析

根据理论分析,若要相位梯度超表面满足将PW转化为SW的相位条件,所设计的相位梯度表面单元须在一个波长范围内实现2π相位的周期变化. 为了实现以上特性,本文提出了一种基于耶路撒冷十字单元(Jerusalem cross unit)结构的相位梯度表面. 由于周期单元的相位特性由其自身结构尺寸决定,因此,只要合理设计单元尺寸,并将不同尺寸的单元结合,就可以实现相位在0～2π变化. 由这些不同尺寸的单元组成的大单元称为超单元,通常超单元的长度不超过一个波长.

耶路撒冷十字单元结构如图1所示. 十字单元印制在厚度为2 mm,相对介电常数为4.4的介质基板上表面,其下表面为金属地板. 参数w1,w2,p和h分别取固定值0.3 mm,0.5 mm,5.2 mm和2 mm. 并规定a=0.8b,这样可以简化设计步骤. 相位梯度表面的工作频率为9.5 GHz,根据上面的分析,若相邻单元之间的相位差为π/3,则6个尺寸不同的单元便可以实现相位在0～2π变化. 将这些尺寸不等的单元从大到小依次排列组成的超单元结构如图2所示,其中L=6×p. 并对其从1～6依次进行编号,具体尺寸如表1所示.

图1 耶路撒冷十字单元结构
Fig.1 Structure of the Jerusalem cross unit

图2 相位梯度表面的超单元结构
Fig.2 Structure of the super-cell of the phase-gradient metasurface

表1 超单元的具体尺寸
Tab.1 Detailed dimensions of the super-unit cellmm

为了验证设计的可行性,分别对六个单元的反射相位进行了仿真,如图3所示.可以看出,在设计的工作频率9.5 GHz处,相邻单元之间的相位差都保持在大约π/3,符合设计要求. 六个单元的反射系数如图4所示. 耶路撒冷十字单元结构是关于x和y轴对称的,因此,对于TE和TM波其反射特性是相同的. 从图中我们可以看到反射系数在9.5 GHz和高频段均出现了明显的下降,这是由于在9.5 GHz处该结构将PW转化为SW. 在高频段,图3中没有给出六个单元的反射相位,是因为高频段的六个单元之间相位差是没有任何规律的,即具有非连续的相位特性,此时则会发生奇异反射,反射波会沿各个方向,也可称之为漫反射．这会使得相位梯度表面的法线方向反射波减小,所以会实现高频时单站RCS的减缩. 因此,若将该结构加载到天线上,可以在宽频带内减缩天线的RCS.

图3 6个不同尺寸的耶路撒冷十字单元的反射相位
Fig.3 Reflection phase of the six Jerusalem cross unit with different size

图4 相位梯度表面在不同极化入射波下的反射系数
Fig.4 Reflection coefficient of the phase-gradient metasurface under different polarized incident wave

2 天线的仿真与设计

2.1 天线结构

为了验证相位梯度表面对天线RCS的减缩效果,首先设计了一款工作在8.5 GHz,4×4的缝隙阵列天线作为参考天线,如图5所示. 该天线在厚度h1=1 mm的FR4介质基板(εr=4.4)的上表面印制有周期性开槽的金属地板作为辐射体,下表面为微带馈电网络,对整个阵列进行馈电. 同时为了抑制缝隙天线的后向辐射,在下方添加了一块厚度h2=3 mm带有金属地板的介质板(εr=2.2)作为天线的反射板. 天线的其他参数为:介质基板长度A=90 mm,宽度B=95 mm,缝隙长度L=9 mm, x轴方向相邻缝隙之间距离D1=16.4 mm,y轴方向相邻缝隙之间距离 D2=20 mm,缝隙宽度S=0.8 mm.

图5 参考缝隙阵列天线的结构
Fig.5 Geometry of the reference slot array antenna

将上节中所设计的相位梯度表面加载到参考天线上,如图6所示. 和参考天线相比,二者的结构尺寸完全一致. 唯一不同是加载相位梯度表面的天线比参考天线多出了一层覆层. 该覆层是厚度为2 mm的FR-4介质基板,且在其上表面周期性地印制有上节所设计的相位梯度表面. 考虑到天线的辐射性能,在加载相位梯度表面的天线缝隙上方进行开缝,来消除覆层对辐射的影响.

图6 加载相位梯度表面的缝隙阵列天线
Fig.6 Geometry of the proposed slot array antenna with the phase-gradient metasurface

2.2 天线辐射特性

为了更好地验证相位梯度表面对天线辐射的影响,将参考天线和加载相位梯度表面的天线进行了实物加工,如图7所示.

(a) 参考天线 (b) 加载相位梯度表面的天线
Reference antenna Proposed antenna with phase-gradient metasurface
图7 两个天线的实物加工图
Fig.7 Photographs of the two antennas

两个天线的仿真和实测S11对比如图8所示. 与参考天线相比,加载相位梯度表面的天线S11仿真结果整体向低频偏移. 这是由于添加覆层之后,相当于增大了天线的有效介电常数,因此,在与参考天线尺寸同等的情况下,其工作频率会向低频偏移. 考虑到实际加工、天线组装以及介质板的介电常数不均匀等误差,测试结果略高于仿真结果是可以接受的.

图8 参考天线和加载相位梯度表面天线的仿真和测试S11对比
Fig.8 Comparison of S-parameters between the reference antenna and proposed antenna with the phase-gradient metasurface for simulated and measured cases

参考天线和所设计天线的仿真和实测辐射方向图如图9和10所示. 可以看出,仿真和测试方向图吻合良好,但测试方向图有较明显的波动,这是由于测试不是在微波暗室进行的,因此受周围环境影响较大. 可以观察到,所有的辐射方向图都不是完全对称,这是由馈电网络不对称导致,但天线的最大辐射方向仍在边射方向. 由于介质覆层的影响,所设计天线的最大增益较参考天线下降0.5 dB,该增益下降值是可以接受的. 通过以上对比可以得出结论,相位梯度表面的加载对缝隙阵列天线的辐射性能影响很小,基本不影响其正常工作.

(a) φ=0° (b) φ=90°
图9 8.5 GHz时参考天线的仿真和实测辐射方向图对比
Fig.9 Comparison of radiation patterns between the simulated and measured results for reference antenna at 8.5 GHZ

(a) φ=0° (b) φ=90°
图10 8.5 GHz时加载相位梯度表面的天线仿真和实测辐射方向图对比
Fig.10 Comparison of radiation patterns between the simulated and measured results for proposed antenna with phase-gradient metasurface at 8.5 GHz

2.3 天线的散射特性

当TE和TM极化波垂直入射时,参考天线和加载相位梯度表面天线的实测和仿真单站RCS如图11所示. 可以看出,与参考天线对比,所设计的天线在两种极化波垂直照射时都有显著的RCS减缩效果. 对于仿真结果,在9.5 GHz,天线RCS最大减缩15 dB. 对于测试结果,当TE极化波垂直入射时,在10 GHz有20 dB的减缩量;当TM极化波垂直入射时,在10.5 GHz有19 dB的减缩量. 相较于仿真结果,测试结果向高频轻微偏移,这是由于实际测试误差引起的,但仍具有良好的RCS减缩效果.

为了更好地表明加载相位梯度表面可以实现宽带RCS减缩,给出了不同极化波入射时天线在14 GHz时的3D散射方向图,如图12所示. 可以看出,当两种极化波垂直入射时,反射波会朝各个方向反射,使得主方向(+z轴)上的RCS减低.

(a) TE极化入射波
(a) TE polarized incident wave

(b) TM极化入射波
(b) TM polarized incident wave
图11 垂直入射时参考天线和加载相位梯度表面天线的单站RCS仿真和实测图对比
Fig.11 Simulated and measured RCSs of the reference antenna and proposed antenna with phase-gradient metasurface for the normal incident plane waves

(a) TE极化入射波
(a) TE polarized incident wave

(b) TM极化入射波
(b) TM polarized incident wave
图12 垂直入射时加载相位梯度表面天线在14 GHz处的3D散射方向图
Fig.12 3D RCS pattern of the proposed antenna for normally incident plane waves at 14 GHz

为了进一步研究相位梯度表面的RCS减缩效果,我们对平面波斜入射时的天线RCS进行了仿真,结果如图13所示. 当入射角度增大到30°时,RCS减缩的效果微乎其微. 这是由于当入射角度增大到一定程度,相位梯度表面的相位特性发生变化,不能正常工作. 结果表明,利用该表面只能实现小角度内RCS减缩.

(a) θ=10°

(b) θ=20°

(c) θ=30°
图13 TE和TM波斜入射时两种天线的RCS对比
Fig.13 Comparison between the RCS of the two array antennas for oblique incident TE and TM plane waves

3 结 论

本文设计了一种相位梯度表面,可以实现缝隙阵列天线在6～18 GHz的宽带RCS减缩. 仿真和实测结果表明,通过加载该表面可以在保证天线辐射特性基本不变的基础上实现显著的RCS减缩效果. 与传统的天线RCS减缩方法对比,该设计可以同时实现天线的带内和带外RCS减缩,为缝隙天线的宽带RCS减缩提供了新思路.