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基于相位梯度表面的低雷達散射截面天線研究

文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2019-05-20 訪問數:

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隱身性能逐步成為現代軍事裝備中的重要指標,直接關系著戰場生存能力。在電磁波頻段,物體的隱身性能由其雷達散射截面(RCS)這一指標來表征,RCS越小,則越不容易被雷達探測到。導彈、飛機、艦船等平臺通常通過吸波涂層、外形結構設計等手段降低RCS,而平臺上的天線由于需要實現特定的功能,且依靠金屬或者介質結構產生電磁輻射,難以通過常用的手段降低RCS而成為較大的電磁散射源,極大的影響了平臺的隱身性能。

超表面是一種新型的二維超材料表面,利用亞波長的單元結構按照一定的排布可以實現自然材料不具備的電磁特性。已經應用于高增益天線、超薄吸波體、隱身覆層等熱門領域。將超表面的特性應用于天線設計中,在降低天線剖面、提高隱身性能等方面有明顯的優勢。

1  廣義反射定律

相位梯度表面是超表面的一種,通過結構參數漸變的結構單元,對反射波/透射波形成梯度漸變的相位,從而在超材料表面形成一個與界面平行的波矢量,造成反射波/透射波的方向與經典理論值發生偏離,形成異常反射/折射。此特性可用于設計隱身覆層,或直接引入到天線設計過程中,從而實現具有隱身特性的天線。

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經典的反射定律認為反射角等于入射角,但當超表面在分界面上提供一個相位梯度疊加于反射波上,則反射角不再與入射角相等,而與該相位梯度有關,如圖1(a)所示。

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其中:qr是反射角,qi是入射角,l0是空氣中的波長,ni=1是空氣折射率,dF/dy是超表面的相位梯度。

額外疊加的波矢量等于相位梯度x=dF/dy,則反射波的波矢量切向分量為k’=k0sinθi+ξ,則

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得到垂向分量k

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k2<0時,電場在垂向沒有傳播模式,而隨距離呈指數衰減,表明電磁波束縛在相位梯度表面與空氣的分界面上,切向傳播,如圖1(b)所示??梢缘玫较辔惶荻刃枰獫M足以下要求:

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2  低剖面天線設計

根據以上的理論,當入射角度為時,要求相位梯度滿足dF/dy> k0;6個單元為1組,定義為一個大單元,共覆蓋360°的相位變化,如圖2(a)~(c),所設計的相位梯度dF/dy=1.25k0;從超表面上方法向入射的電磁波在表面耦合為切向傳輸的電磁波,如圖2(d)所示。

將總共6×24(y×x)個大單元周期排布在尺寸為200 mm×200 mm的面積內,并在同一層介質板上的側面使用平面波導作為饋源,實現低剖面天線,如圖3所示,得到天線的方向圖和端口回波損耗如圖4所示。圖4(a)~(c)分別表示0.975f0,f0,1.025f0三個頻點的方向圖,圖4(d)中的回波損耗在0.94f0~1.12f0頻帶范圍內小于-10 dB。

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天線的輻射方向都朝著饋源方向發生了偏移,該現象與理論分析相符,以發射天線來分析,輻射主波束方向由方程(5)決定:

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計算所得天線主波束方向在15°左右,與實測結果相符,可以通過調節超表面的相位梯度來設計主波束輻射方向。

3  雷達散射截面縮減

由于相位梯度表面由不同的單元構成,每個單元對反射波的相位不相同,進而使反射波無法在某一個方向實現有效的疊加,如圖5(a),在中心頻點f0處,由于相位梯度滿足方程(4)的要求,法向入射電磁波轉化為表面波,沿切向傳播,幾乎沒有后向散射;在0.9f0處和1.1f0處,由于相位關系不再滿足方程4的要求,無法有效轉化為表面波,但各單元對入射波的相位延遲仍然存在一定的差異,反射波無法有效疊加,從而導致后向散射相比均勻分布仍然有較大的縮減。不同極化的入射波照射到超表面上時,雷達散射截面在整個頻帶內相比金屬平板都有較大的縮減,如圖5(b)。

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