一种兼具宽带增益改善和宽带、宽角度低雷达散射截面的微带天线

设计并制备了一种兼具高增益和低雷达散射截面(radar cross section, RCS)的微带天线, 通过给原始微带天线加载双屏频率选择表面(frequency selective surface, FSS)覆层, 使其具有宽带的3 dB增益带宽和宽带、宽角度的低RCS特性. 该FSS单元的上层是四个开口处都焊有电阻的金属环结构, 下层是中间和四边都开缝的金属贴片结构. 上层加载的电阻主要用于吸收雷达入射波, 减缩天线RCS; 下层的贴片和天线地板构成Fabry-Perot谐振腔, 提高天线增益. 在5.75–11.37 GHz频带内, S₂₂<-10 dB, S₁₂<-10 dB; 在11.21–11.54 GHz频带内, S₁₁反射系数相位曲线斜率为正, 幅度模值均在0.86以上. 实验结果表明: 与原始天线相比, 在谐振频点11.73 GHz处, 天线增益提高3.4 dB, E, H面的半功率波束宽度分别减小16°和50°; 天线的3 dB增益带宽为10.00–12.40 GHz, 完全覆盖阻抗带宽. 在4.10–11.30 GHz 频带内, 天线法向RCS均有3 dB以上的减缩, 最大减缩23.08 dB; 4.95 GHz处的单站RCS在-20°–20°的角域、双站RCS 在-37°–37°的角域均有3 dB以上的减缩. 实验结果证实了该FSS覆层可用于同时改善天线的辐射和散射 性能. 关键词： 频率选择表面 低雷达散射截面 高增益 宽带     

宽带超薄完美吸波体设计及在圆极化倾斜波束天线雷达散射截面缩减中的应用研究

为了缩减天线带内雷达散射截面(radar cross section, RCS), 在双频带完美吸波材料的基础上, 通过缩小两吸波率峰值之间的距离, 设计出了一种频带较宽的超薄完美吸波体.该吸波体由两层金属及其中间的有耗介质组成, 底面金属不刻蚀, 顶面由方形贴片和绕其四周的开口方环组成, 该结构具有低频点LC谐振和高频点偶极子谐振的特征.仿真和实验结果表明: 该吸波体具有极化不敏感和宽入射角的特征, 其在厚度小于0.01λ的条件下, 具有8.2%的半波功率相对带宽, 最大吸波率的峰值为91.6%和96.5%. 将吸波体用于圆极化的倾斜波束 (tilted beam, TB)天线, 仿真和测试结果表明: 该天线在保持增益不变的条件下, 不仅轴比得到改善, 有效带宽得到拓展, 且在5.5–6.5 GHz范围内TB天线的RCS缩减至少在3 dBsm以上, 在谐振频点处最大缩减幅度分别为11 dBsm和8 dBsm; 在两谐振点处鼻锥方向-36°–+36°范围内, TB天线的RCS缩减均有明显效果. 关键词： 超薄完美吸波体 TB天线 雷达散射截面 圆极化     

一种高增益低雷达散射截面的新型圆极化微带天线设计

设计了一种基于人工电磁材料覆层的高增益低雷达散射截面(radar cross section, RCS)圆极化微带天线. 人工电磁材料覆层是由介质板及其两侧的人工周期表面构成, 上表面是加载集总电阻的方环贴片, 具有宽带吸波特性; 下表面是开条带缝和圆环缝的金属贴片, 具有部分反射特性. 将其加载到圆极化微带天线上方, 通过覆层上表面的电阻可吸收入射的雷达波, 结合下表面与接地板构成Fabry-Perot谐振腔的多次反射, 可实现圆极化微带天线辐射和散射性能的同时改善. 实测结果表明: 加载人工电磁材料覆层后, 天线的相对轴比带宽由5.9%扩展为7.1%; 天线增益在整个工作频带内都得到了提升, 最大提高了6.61 dB; 天线RCS在宽频带宽角域内实现了明显的减缩, 在天线工作频带内也实现了3 dB以上减缩. 实测结果与仿真结果符合较好.     

基于超材料吸波体的低雷达散射截面微带天线设计

设计了一种高吸波率、宽入射角、无表面损耗层的超材料吸波体, 并将其用于微带天线的带内雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩.实验结果表明: 设计的吸波体的厚度为0.3 mm, 吸波率达99.9%, 相比普通微带天线, 加载该吸波体后的天线在工作频带内法向RCS减缩都在3 dB以上, 最大减缩16.7 dB, 单站RCS在-30°–+30° 角域、双站RCS在-90°–+90°角域减缩超过3 dB, 且天线辐射性能保持不变. 证实了该吸波体具有良好的吸波效果, 可以应用于微带天线的带内隐身. 关键词： 超材料吸波体 微带天线 雷达散射截面     

基于宽带吸波体的微带天线雷达散射截面缩减设计

利用加载集总电阻的方式设计出一种极化稳定且宽入射角的宽带超材料吸波体(wide-band metamaterial absorber, WBMA), 在平面波垂直入射时, 其吸波半波功率带宽达12.7 GHz, 吸波率大于90%的带宽达10.42 GHz, 峰值吸波率达99.9%. 将其与微带天线共基板共接地板的方式加载, 制备出WBMA微带天线, 实现了天线宽频域内雷达散射截面(radar cross section, RCS)大幅缩减. 仿真与实测结果表明: 将WBMA加载于微带天线后, 天线的前向增益提高了0.53 dB, 整体辐射特性基本保持不变; 在不同极化波下, 天线的工作频带带内和带外等宽频域(6.95-17.91 GHz)内的单站RCS缩减大于3 dB以上, 最大缩减值达21.2 dB; 在天线的中心频点8 GHz处± 48°的宽角域内, 双站RCS缩减效果明显, 很好地实现了天线的宽频域大角度的隐身设计.     

一种具有吸波和相位相消特性的共享孔径雷达吸波材料

提出了共享孔径雷达吸波材料(shared aperture radar absorbing material,SA-RAM)的设计方法.该方法将无源人工电磁媒质(metamaterials,MTM)的散射问题等效为有源阵列的辐射问题进行研究,利用阵列天线原理对有限周期MTM单元构成的MTM子孔径的位置信息、幅度信息、相位信息进行优化设计,实现具有不同功能的SA-RAM.在此基础上,设计了一种基于人工磁导体(artificial magnetic conductor,AMC)子孔径和完美吸波体(perfect metamaterial absorber,PMA)子孔径的SA-RAM,该SA-RAM通过将AMC子孔径与PMA子孔径交错布阵,实现了具有吸波和相位相消特性的SA-RAM.仿真和实验结果表明,该SA-RAM较金属板的后向雷达散射截面(radar cross section,RCS)在5.5—8.3 GHz都有明显的减缩,在5.54 GHz处的减缩是由于PMA的高吸波率引起的,在7.0 GHz处的减缩是由于AMC子孔径和PMA子孔径相位相消引起的.研究结果对频域和空域隐身相结合的雷达吸波材料设计具有重要的指导意义.     

一种兼有高增益和宽带低散射特征的波导缝隙天线设计

设计了一种同时具备高增益和宽带低散射特征的波导缝隙天线.将蚀刻有互补开口谐振环的方形贴片人工磁导体正交布阵得到宽带低雷达截面积(RCS)反射屏并以之代替原天线的全金属反射板,通过优化反射屏的加载方式,在展宽天线工作频带、提高天线增益的同时,实现了宽频域范围内天线鼻锥方向RCS减缩.实测结果表明:加载低RCS反射屏的缝隙天线工作带宽增加了100 MHz,前向增益提高了3.2 dB,在5.52—6.63GHz范围内RCS减缩量达10 dB以上,减缩带宽达到20%.     

基于极化转换超表面的宽带低雷达散射截面缝隙天线阵

提出了一种利用极化转换超表面(PCM)来缩减雷达散射截面(RCS)并保持缝隙天线阵列辐射特性的新型天线,在不影响天线性能的情况下实现了天线的宽带RCS缩减。该PCM由45°倾斜的开槽矩形贴片周期排布构成,它被放置在缝隙阵列天线的上表面,起到RCS缩减的功能。分析了RCS缩减的特点和原理,仿真和实验结果表明,带有PCM的缝隙天线阵在x极化和y极化波冲击下,单站RCS缩减带宽为8.0～21.8 GHz。同时天线的辐射特性在阻抗带宽、增益和辐射模式等方面都能保持良好性能。     

基于交叉极化旋转相位梯度超表面的宽带异常反射

设计实现了一种基于双圆弧形金属结构的宽带反射型极化旋转超表面, 在7.9–20.1 GHz的宽频带范围内交叉极化转换率达到99%, 通过改变其结构参数可实现在保持高效的交叉极化转换率的条件下对交叉极化反射相位的自由调控. 基于六种不同结构参数极化旋转超表面结构单元的空间排布设计实现了一维宽带相位梯度超表面, 在宽频带内, 实现了异常反射. 测试了其镜面交叉极化反射率, 与仿真结果基本一致. 仿真计算了x-极化波入射时的电磁场分布和异常反射角度, 与理论计算结果基本一致. 仿真与测试结果均表明这种相位梯度超表面在8.9–10 GHz 和10.0–18.1 GHz的两个宽带频率范围内可分别实现高效的表面波耦合和异常反射.     

基于单层反射超表面的宽带圆极化高增益天线设计

基于Pancharatnam-Berry相位原理, 设计了一种宽带圆极化反射聚焦超表面并将其应用到提高天线增益中. 首先提出了一种变形十字超表面单元, 在11-16 GHz频带范围内能够实现高效同极化转换, 并基于该单元构建了宽带反射聚焦超表面. 仿真结果表明, 垂直入射的右旋圆极化平面波宽带聚焦效果明显. 然后利用单向阿基米德螺旋天线对超表面进行照射, 其辐射的球面波经超表面反射后得到了近平面波, 有效地提高了天线的增益. 最终对所设计的天线系统进行加工并测试, 结果表明系统的-1 dB增益带宽达到25% (12.5-16 GHz), 在该频带范围内峰值增益均高于19 dBc且轴比小于3 dB. 此外, 在12-15.5 GHz范围内天线口径效率均超过50%.     

基于超材料吸波体的低雷达散射截面波导缝隙阵列天线

提出利用超材料吸波体减缩波导缝隙阵列天线带内雷达散射截面的设计方法. 设计具有超薄(厚度仅为0.01λ, λ为吸波体中心频率对应波长)、无表面损耗层和高吸波率的超材料吸波体, 将其加载到波导缝隙天线E面方向辐射缝隙间的金属表面上, 并与辐射缝隙保持一定的间距. 该加载方式没有破坏天线的口径馈电振幅分布, 并利用超材料吸波体对电磁波的强吸收特性降低了天线阵的结构模式项散射. 仿真和实验结果表明, 加载超材料吸波体后天线阵的反射系数、增益、波瓣宽度保持不变, 在x极化和y极化条件下, 波导缝隙阵列天线的带内雷达散射截面减缩量均在6 dB 以上, 且在-25°-+25°范围内天线雷达散射截面均有明显的减缩, 鼻锥方向减缩超过10 dB. 该研究成果对阵列天线雷达散射截面减缩具有重要的借鉴意义和工程应用价值.     

基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用

设计了一种基于超材料电磁特性的吸波体, 并将其应用于波导缝隙天线. 该吸波体是由两层金属及其中间的有耗介质组成, 上层金属是由刻蚀交叉缝隙的贴片形成的电谐振器, 下层金属不刻蚀, 作为整个金属地板. 通过优化结构参数, 得到了一种极化不敏感、宽入射角的超薄吸波体, 吸波率达到99.1%, 厚度只有约0.01λ. 将该吸波体应用与波导缝隙天线, 在5.48-5.7 GHz工作频段内, 天线雷达散射截面减缩都在3 dB以上, 在鼻锥方向的-25°-+25°范围的角度上, 天线雷达散射截面减缩均在5 dB以上, 雷达散射截面减缩最大超过12 dB, 而天线前向增益仅降低了0.53 dB. 实验结果与仿真结果符合得较好, 证实了该吸波体具有好的天线雷达散射截面减缩效果, 可以应用于天线目标的隐身.     

W波段基片集成波导缝隙阵天线的研究

介绍了一种低成本高效率的W波段4×4基片集成波导(SIW)缝隙阵天线。天线阵为双层结构,上层为辐射层,采用宽边纵向偏移缝隙驻波阵,可以实现高的辐射功率,下层为馈电层,采用SIW串联缝隙馈电方式,减小了传统功分网络带来的传输损耗和实现难度。对天线阵进行了优化设计,采用标准低成本PCB工艺制作了天线阵实物样品并进行测试。测试结果与仿真结果吻合较好,天线阵在94 GHz时,最大增益为16.8 dB,反射系数-30.1 dB,-10 dB带宽为92.6~96 GHz,副瓣电平19.5 dB,天线阵口径效率为83%。     

一种性能稳定的新型频率选择表面及其微带天线应用

设计了一种基于分形树结构的高性能频率选择表面(frequency selective surface,FSS),并将其作为微带天线的空间滤波器,同时改善天线的辐射与散射性能.该FSS单元是由两层金属及其中间介质组成,上、下层金属采用金属柱连结,整体构成树枝状分形结构.通过优化参数,得到了一种宽带、极化无关、宽入射角、小型化的超薄FSS,厚度只有约0.017λ.将该FSS应用于微带天线后,天线的相对带宽拓展到40%,工作频段内的增益得到改善,9.6 GHz时,天线的增益提高了6.7 dB,同时,天线工作频带内的雷达散射截面(radar cross section,RCS)也得到了明显减缩,最大减缩为12.7 dB.实验结果与仿真结果符合得较好,证实了该空间滤波器具有提高宽带天线增益、增强天线定向性、改善天线带宽与降低天线带内RCS的效果,可以应用于宽带天线带内辐射与散射性能的同时改善.     

宽频带雷达散射截面缩减相位梯度超表面的设计及实验验证

针对相位梯度超表面在隐身技术中的应用,提出通过表面波耦合和异常反射两种机制复合实现宽频带后向雷达散射截面(RCS)缩减,采用开口谐振环进行相位梯度设计,实现了一种二维极化无关相位梯度超表面,在10 GHz附近,超表面通过将垂直入射电磁波耦合为表面波实现RCS缩减,而在大于11 GHz的频率范围内,相位分布的不均匀性使垂直入射的电磁波发生漫反射或者异常反射,降低后向RCS,制作了厚度为2 mm的超表面样品,测试了其反射率曲线和后向RCS,并与相同尺寸的金属板进行了对比,实验结果表明,在宽频段内(9.5—17.0 GHz),超表面在垂直入射情况下可将后向RCS缩减至少10 dB,由于厚度薄、重量轻、频带宽,RCS缩减超表面在隐身新材料和新技术方面具有很大的应用潜力。     

大尺寸模式转换天线的设计和实验研究

 在同轴波导尺寸较大的情况下，传统的插入四块金属板的同轴插板式模式转换器难以满足扇形波导内单模传输的条件。通过增加插板数目，设计了大尺寸情况下的模式转换器，并将其与同轴喇叭有机结合，设计了一个中心频率为7 GHz的新型模式转换天线，可以实现高功率微波源输出TEM模的定向辐射。该模式转换天线的数值计算结果为：增益22.2 dB，口径效率53.7%，中心频率上反射系数为0.07，在6.5~7.5 GHz频率范围内反射系数小于0.3。实验测量结果为：增益21.5 dB，口径效率约46%，在6.5~7.5 GHz频率范围内反射系数约为0.07~0.39。数值计算与实验测量结果基本一致。