一种双频超薄吸波结构在微带天线中的应用

西安电子科技大学学报(自然科学版)

JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY

Feb.2015

Vol.42 No.1

doi:10.3969/.issn.1001-2400.2015.01.021j

一种双频超薄吸波结构在微带天线中的应用

高 军,张 浩,曹祥玉,杨欢欢,

杨 群,李

()空军工程大学信息与导航学院,陕西西安 710077

摘要:设计了一种新型超薄双频带雷达吸波结构,通过提取阻抗参数、分析表面电场和电流分布,阐明了其吸波原理,并将其用于双频带微带天线,减缩天线带内雷达散射截面.结果表明,该结构在两个不同的频段内实现了高效吸波,且吸波效果具有入射角稳定性和极化角不敏感性;加载该吸波结构后,微带天线的实测与仿真结果相吻合,表明该结构能够有效应用于双频带天线的带内隐身.9.9dB.关键词:超材料吸波体;双频带;微带天线;雷达散射截面;超薄

()中图分类号:TM15 文献标识码:A 文章编号:1001-2400201501-0130-06

辐射性能保持不变,而在天线的工作频率4其雷达散射截面分别减缩了8.29GHz和6.49GHz处,.59dB和

Dual-bandultra-thinmetamaterialabsorberanditsalicationppinreducinCSofthemicrostrintennagRpa

GAOJun,ZHANGHao,CAOXianu,YANGHuanhuan,gyInformationandNaviationCollee,AirForceEnineerinniv.,Xi’an 710077,China()ggggU

illuminatedbalculatinheeffectiveimedanceandanalzinheelectricfieldsaswellascurrentsycgtpygtRadarCrossSectionheresultsshowthatthisabsorberachieveshihabsortionintwofreuenc().Tgpqyandwhenitisloadedtothedualbandmicrostrintenna,itcanreducetheantenna’sRCSb.59dBandpay8-9.9dBat4.29GHzand6.49GHz,resectivel,whicharetheworkinreuenciesofthedualbandpygfq-canbeusedfortheimrovementofthedualbandantenna’sinbandinvisibilitftheantenna.pyo--distributions.ThentheabsorberisaliedtothedualbandmicrostrintennatoreduceitsinbandRCSpppa--bands.Moreover,itsabsorbinroertiesareincidentanleinsensitivitndpolarizationindeendence,gppgyapAbstract: Anovelultrathindualbandmetamaterialabsorberisdesined.Itsabsorbinechanismisggm--

YANGQun,LIWenianqgantenna.Thereisagoodareementbetweensimulatedandmeasuredresults,showinhatthisabsorberggtKeords: metamaterialabsorber;dualband;microstrintenna;radarcrosssection;ultrathinpayW--

料以来,电磁超材料就引起人们的广泛关注.超材料是一种新型的人工电磁材料,通过周期性的亚波长结构

]2]3]4

、、设计,可以实现如负折射[完美透镜[隐身斗篷[等许多常规材料所不能实现的奇异特性,同时超材料还

[]1

自从2001年Shelby等首次通过实验研制出了在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的左手材

具有电磁波完美吸波特性,能够有效吸收入射电磁波.这种吸波特性引起人们极大的兴趣,2008年Landy

5]

等[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

特性的吸波结构.和其他吸波结构相比,该结构具有结构简单、超薄、无须加载集总电阻且易实现红外和太赫

]6-7

、兹频段吸波的特点,受到广泛关注.这种结构的电磁特性也不断得到改进,如改善入射角稳定性[改善极

收稿日期:2013-09-07 网络出版时间:2014-05-14

);)基金项目:国家自然科学基金资助项目(陕西省自然科学基金资助项目(614713,612711002012JM8003,:作者简介:高 军(男,教授,1962-)E-mail9694@sina.com.gjgj

://////网络出版地址:httwww.cnki.netkcmsdoi10.3969.issn.1001-2400.2015.01.021.htmlpj

第1期 高 军等:一种双频超薄吸波结构在微带天线中的应用

]8-910]

、化稳定性[增加吸波频带[等.

131

]11

,的要求,同时天线对系统雷达散射截面(影响较大的问题日益突出[雷达散射RadarCrossSectionRCS).

随着无线通信技术、雷达技术以及传感器技术的飞速发展,系统对天线的多频化和宽频化提出越来越高

截面是目标在平面波照射下,沿给定方向上散射功率的一种度量,是雷达探测技术、隐身和反隐身技术中表

12]

征目标可识别特性的重要参数[为了减缩多频带和宽频带天线的雷达散射截面,需要加载相应的吸波结.

构.传统吸波技术会削减天线的辐射性能,一般不能直接用于天线系统.因此,需要设计新的吸波结构用于抑制天线的散射.

两个不同频带内实现高效吸波,同时还具有宽入射角以及极化角稳定等特性.对该结构进行仿真,提取了阻抗参数,分析了其表面电场和电流分布,并阐明了该结构的吸波原理.将该结构加载于双频微带天线,用于减缩其带内雷达散射截面,其中微带天线的工作频带与吸波结构的吸波频段相同.

针对双频微带天线的雷达散射截面减缩,笔者设计出一种新型的双频带完美吸波结构.该吸波结构能在

1 超材料吸波体设计与分析

质,顶层为4个挖了方形槽的金属贴片.为了方便,将4个贴片分别命名为贴片1、贴片2、贴片3、贴片4,其的谐振,因此两个对角金属贴片能够产生两种不同的谐振,从而实现双频吸波.调节金属贴片参数,能够改变

7

/谐振的频率和吸波率.该结构金属部分为铜,其电导率σ=5介电常数.8×10sm,损耗介质层为FR4,

笔者提出的新型双频带完美吸波结构如图1所示.该结构由3层组成:底层为金属底板,中层为中间介

中贴片1和贴片4具有相同的结构尺寸,而贴片2和贴片3具有相同的尺寸.相同的金属贴片能够产生相同损耗角正切t对于入射的电磁波,在金属贴片及金属底板表面会激励起感应电流,从而ε4.4,anδ=0.02.r=

(,产生电响应和磁响应,即可实现等效电磁参数ε和μ(形成电磁谐振,同时利用结构单元的介质损耗和ω)ω)

(,实现吸波材料与自由空间的阻抗欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收.通过结构优化,可以使εω)ω)=μ(

/匹配,从而降低入射电磁波的反射率,提高吸波效率.采用基于有限元法的H通过设置MFSS12软件,aster/厚度约为λ为4对应的波长.h0.5mm,140,λ是电磁波频率(.26GHz时)2=

)模拟无限周期结构,对该结构进行仿真优化,如图1(所示.具体的结构Slave边界条件以及Flouet端口,cq

参数为:L1=21.8mm,L2=10.66mm,L3=1.65mm,L4=10.6mm,L5=7.2mm,L6=5.45mm,

2没有电磁波透射,故S则吸波率可以简化为A=1-S0,.图2表示了该结构在TE和TM电磁波21=11不同入射角和极化角情况下的吸波率.由图2可得,对于垂直入射的电磁波,在4该.26GHz和6.53GHz处,

定义反射率R=S11

2

,透射率T=S21

图1 单元结构示意图

2

,吸波率A=1-S11

2

-S21

2

因为该结构底层为金属板,.

结构的吸波率分别达到了9而当电磁波的入射角和极化角发生改变时,吸波率变化不大,表8.7%和99.8%.明该结构具有入射角稳定性和极化角不敏感性.

()电流分布,图3表示吸波频率为6电流分布.由图3可得,在不同4.26GHz时的电场、b.53GHz时的电场、谐振频点,其电场、电流分布有所不同.在低频谐振时,谐振主要集中于贴片1和贴片4以及与之相应的金属

)为了更好地研究该结构的吸波机理,分析了谐振时表面电场和电流分布.图3(表示吸波频率为a

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底板;而在高频谐振时,谐振主要由贴片2和贴片3以及与之相应的金属底板产生.但无论低频还是高频谐振,其吸波原理相同,即在入射电磁波电场分量作用下,沿水平方向产生谐振的贴片两端汇聚了两个电极,激励起电偶极子谐振;而入射电磁波磁场分量则穿透上层金属,在上下两层金属之间产生垂直方向的磁谐振,(相应地在金属贴片和底板之间激励起反向平行电流.当电谐振产生的等效介电常数εω)和磁谐振产生的等

13]

(效磁导率μ(即ε可以实现完美吸波[ω)接近时,ω)ω)时,.=μ(

图2 结构吸波率

图3 电场、电流分布

2 超材料减缩双频微带天线雷达散射截面

2.1 双频微带天线设计及吸波材料的加载()所示.该天线在普通微带天线靠近辐射边处加载了细长缝隙,通过天线辐 双频微带天线结构如图4a

[1]

射边和缝隙辐射的TM该微带天线采用聚四氟乙烯玻璃布板,介10模式及TM30模式实现双频带工作1.

其工作频点分别为4d=0.5mm,e=0.5mm,l=2.7mm,h=1mm..29GHz和6.49GHz.

微带天线的散射主要包括模式项散射和结构项散射.由于该微带天线接匹配负载,故天线的模式项散射

]14

几乎为零.加载超材料吸波材料主要抑制其结构项散射[由于吸波体具有超薄的特性,故可以将其直接贴.

电常数ε2.65,损耗角正切tanδ=0.01,其结构参数为:a=109mm,b=20mm,c=0.5mm,r=

在微带天线辐射贴片的四周,并和辐射贴片保持一定的距离,如图4(所示,在保证天线正常辐射的情况b)2.2 天线辐射性能分析

图5为采用A由图5可知,和未加载ilentN5230C矢量网络分析仪测量得到的天线反射系数Sg11曲线.吸波材料的相比,加载吸波材料后的双频微带天线的S11参数基本保持不变.

图6表示该天线两个谐振频点处的E面和H面实测方向图.由图6可知,在主辐射方向,其辐射性能基下,吸收入射电磁波.

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本保持不变.而其后瓣有所波动,分析认为这是由于吸波材料的加载改变了微带天线介质表面的电流分布造成的,但对天线整体2.3 天线的散射特性

)、()对天线的散射特性进行仿真分析.图7(反映了在TabE和TM极化平面波垂直照射的情况下,加载和未加载吸波材料的天线单站雷达散射截面.由图7可得,在4.1~4.5GHz和6.2~处,TE极化波的最大减缩量为8.19dB,TM极化波的最大减缩量为6在高频谐振频点6.93dB;.49GHz处,TE极化波的最大减天线雷达散射截面均有较大减缩,同时两6.7GHz两个频段内,

个吸波频段覆盖了天线的工作频段.在低频谐振频点4.29GHz

图5 天线S11对比图

图4 结构示意图

辐射性能影响不大,该天线保持了较好的辐射特性.

缩量为9因此,吸波结构对T.9dB,TM极化波最大减缩量为8.48dB.E极化入射波减缩效果优于TM极化

()、()波的.图7表示在4平面波从不同角度照射时天线单站雷达cd.29GHz和6.49GHz两个谐振频点处,散射截面.

由图7可知,在天线鼻锥方向雷达散射截面减缩明显,并且其吸波的角度范围为±15°.

图6 天线辐射方向图对比

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,为3~1覆盖了被测微带天线的工作频率.将收、发两个喇叭天线垂直照射天线转台并保持转台水平,8GHz

两个天线之间保持一定的距离,减小相互之间的耦合.将待测的原始天线和设计天线分别放置于天线转台之

2上,测量喇叭天线和被测天线之间距离满足远场条件,即距离需要满足L=2其中D表示天线的结构D/λ,

为了进一步验证该结构的吸波效果,在微波暗室中对微带天线的散射特性进行了实测,天线的工作频率

图7 雷达散射截面结果分析

,尺寸,天线的尺寸D=1测量时的最高频率f=6对应的λ表示测量时最高频率对应的波长.09mm,.6GHz波长λ=4此时可得L=5待测天线和测量天线之间的距离为2m,满足远区场条件.将喇叭天5mm,28mm.天线两种情况下,电磁波垂直入射时两个喇叭天线的S因为喇叭天线的S21参数.21参数的减缩量和雷达散()配负载,用于消除其模式项散射.图8给出了S由图8可知,在4其反a.2~4.35GHz范围内,21的测试结果.的差异是由制造误差以及测试环境的造成的.

线与矢量网络分析仪A一个作为发射天线,一个作为接收天线.观察原始天线和设计ilentN5230C相连接,g

[15]射截面的减缩量相对应,因此S两种天线均加载了匹.21参数能够反映待测天线雷达散射截面的缩减效果

)射率下降明显,但是和仿真结果相比,带宽变窄;由图8(可知,在6其反射率下降明b.2~6.5GHz范围内,显,但是和仿真结果相比,其中间出现了凹槽和波动.测量结果与仿真结果较为吻合,而仿真结果和测量结果

图8 S21测试结果

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3 结束语

数,研究了表面电场和电流分布,并分析其吸波原理.仿真和实测结果表明,新型吸波结构能在两个不同的频点实现高效吸波.在加载吸波材料后,微带天线的辐射性保持不变,而在两个工作频带内,天线雷达散射截面得到有效减缩.同时也看到,该方法在一定程度上增加了微带天线的尺寸,吸波结构带宽还不够宽,因此实现结构的小型化以及吸波频带的展宽将是未来工作的重点.参考文献:

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笔者设计了一种新型双频完美吸波结构并应用于双频微带天线带内雷达散射截面减缩.提取了阻抗参

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(编辑:郭 华)

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