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%.     

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     

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     

共享孔径人工电磁媒质设计及其在高增益低雷达散射截面天线中的应用

提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.     

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.     

一种新型的低散射微带天线阵设计

本文将电磁表面(electromagnetic surface, EMS)的设计思想引入到微带天线阵的设计中,在设计天线单元的同时,也将其作为EMS单元兼顾其反射特性.通过在矩形辐射贴片上开弧形缺口,得到一种新的单元结构,该单元可与原始EMS单元之间形成180°±30°有效相位差,且作为天线单元时与原始天线工作在相同谐振模式、相同频带.将两种单元以棋盘形式构成组合天线阵,在两个极化下分别基于相位对消原理和吸波原理实现了雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩.实测与仿真结果表明:相较于等大小的金属板,在x极化波照射下,天线阵在5.6—6.0 GHz实现了6 dB以上的RCS减缩,相对带宽为10.1%;在y极化波照射下,天线阵在5.0—7.2 GHz实现了6 dB以上的RCS减缩,相对带宽为24%.同时由于两种单元在辐射上具有较好的一致性,使得组合天线阵的辐射性能得以保持.该方法有效解决了天线阵辐射和散射难以兼顾的矛盾,为其他形式的低散射天线阵的设计提供了新的方法与思路.     

人工磁导体正交布阵的宽带低雷达截面反射屏

基于互补开口谐振单环 (complementary split ring resonator, CSRR) 的电磁特性, 设计了一种新型人工磁导体 (artificial magnetic conductor, AMC) 结构 CSRR-AMC. 通过与方形贴片人工磁导体的反射相位对比发现, 该结构在X极化和Y极化波垂直照射条件下可分别实现小型化和多同相反射频带. 基于此特性, 设计了一种仅由单一CSRR-AMC结构组成的宽带低雷达截面反射屏. 该设计将相邻CSRR-AMC单元正交化排布, 通过优化单元结构实现宽带相位对消, 降低后向散射能量. 测试结果表明, 样品在7.38–10.47 GHz 范围内后向RCS减缩量达到10 dB以上, 相对带宽达到34.6%, 为宽带低反射屏设计提供了新的方法. 关键词： 人工磁导体 相位对消 宽带 雷达截面减缩     

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.     

幅相同调的吸波-对消雷达散射截面减缩超表面设计

更宽的工作频带和更低的雷达散射截面(radar cross section, RCS)一直是低可探测领域研究的热点,然而这两者往往难以兼顾.鉴于此,本文提出了一种幅相同调的吸波-对消RCS减缩超表面,通过在宽带范围内同时设计两个单元的反射相位和反射幅度,使目标RCS在空间域和能量域分别获得10 d B以上减缩,从而通过叠加获得20 d B以上的宽带RCS减缩.仿真和实验结果表明,在两种极化下,幅相同调的吸波-对消RCS减缩超表面可以在6.10—12.15 GHz频带范围内获得20 d B以上的RCS减缩效果,同时10 d B减缩带宽为4.3—14.2 GHz.所设计的超表面具有减缩幅度大、减缩频带宽、质量轻、单层结构、极化稳定性好、柔性易共形等优点,有望为低可探测材料研制以及低可探测装备性能提升提供新的技术途径.     

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     

一种基于共享孔径Fabry-Perot谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线

设计了一种工作于X波段的基于共享孔径Fabry-Perot(F-P)谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线,并设计了三种不同尺寸的双层频率选择表面(FSS)单元,通过共享孔径布阵组成了超材料覆层.利用三种FSS单元的相位补偿特性,有效拓展了覆层天线的增益带宽.实测和仿真结果均表明,加载超材料覆层后,磁电偶极子天线在7.8—12.3 GHz内S_(11)-10 d B,相对带宽达到44.7%,覆盖整个X波段.天线增益在7.9—12.1 GHz内均有明显的提高,最大提高了7 d B.相较于传统的F-P谐振腔结构覆层天线,设计的基于共享孔径的F-P谐振型超材料覆层天线能够明显拓展天线增益带宽,在新型宽带高增益天线设计方面具有广阔的应用前景.     

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.     

基于超材料角反射面的高增益高效率双圆极化Fabry-Perot天线设计

基于射线跟踪模型,提出了一种超材料角反射面结构,实现了Fabry-Perot天线增益和口径效率的提升.首先对基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线进行了理论推导和分析.然后,设计并分析了双圆极化馈源、基于超材料角反射面的Fabry-Perot天线及其性能.最后,对所提出的Fabry-Perot天线模型进行了制造和测试.结果表明,该天线的左圆极化增益和右圆极化增益分别为21.4 d Bi和21.3 d Bi.相比馈源天线,增益分别提高了16.4 d B和16.3 d B.与传统Fabry-Perot天线相比,所提出超材料角反射面同时充当了反射面和相位校正面,实现了对Fabry-Perot天线边缘电磁波的有效调控.所设计Fabry-Perot天线工作在2.8 GHz频段,具有高增益、高口径效率和低旁瓣的优点,满足了太阳射电望远镜F107指数观测的需求.     

超薄宽带平面聚焦超表面及其在高增益天线中的应用

针对相位梯度超表面在灵活操控电磁波与提高天线增益中的潜在应用,提出一种新型的宽带超表面单元,实现了在较宽频带范围内操控电磁波波前与提高天线增益.本文首先设计了一种圆环十字形对称单元来控制反射波的相移量,单元厚度为1 mm,尺寸为0.3λ_0(λ_0=20 mm),工作频段15—18 GHz,而后验证了由该单元组成的相位梯度超表面在15—18 GHz范围内对电磁波的奇异反射与聚焦特性.最后将设计的反射聚焦超表面应用于提高天线增益中,仿真与测试结果均表明,天线最高增益在15—18 GHz内平均增加了11 d B且-1 dB增益带宽为15—18 GHz(相对带宽为18.2%).由于厚度薄、重量轻、频带宽,设计的该单元拓展了相位梯度超表面在微波领域的应用,有望为高增益天线的实现提供新的方法.     

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%.     

高极化纯度的超表面透镜设计与应用

针对超表面在透镜方面的应用,基于各向异性超表面单元设计了一款高极化纯度的聚焦超表面透镜,并探讨了其在高增益高极化纯度天线方面的应用.设计了一款具有极化滤波特性的各向异性超表面单元,单元对x极化波保持高透性的同时,对y极化波保持近乎为零的透射率.利用该型单元设计了焦距为30 mm、阵列大小为105 mm×105 mm、单元数为21×21的聚焦超表面透镜.根据光路可逆原理,焦点处发出的球面波被超表面透镜有效转化为平面波,从而达到提高天线增益的目标.实验中分别用不同极化形式的球面波照射聚焦超表面来研究超表面对不同极化波的控制特性.结果表明,x极化波照射时,超表面工作于透镜模式,球面波转化为平面波,天线增益大大提高;y极化波照射时,超表面类似于金属板,将入射波全部反射;x/y极化混合波照射时,天线增益大大提高,且极化隔离度高于25 dB,充分说明设计的聚焦超表面在提高x极化波增益的同时可高效滤除y极化波,达到了高增益高极化纯度的目标.     

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.