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.     

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.     

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     

高Q值超薄完美吸波体设计方法研究

为了增强完美吸波体的吸波性能,提出了一种高Q值超薄完美吸波体的设计方法. 该方法将基片集成波导技术与一般完美吸波体设计方法有机结合,通过合理添加金属过孔实现了高Q值的完美吸波体设计. 利用该方法设计出了厚度0.0065λ、半波功率带宽5.8%的完美吸波体,其吸波率Q值为33.9,比普通完美吸波体吸波率Q值提升了20%以上;其1.5和3 dBsm的雷达散射截面缩减Q值分别提高了54%和67%以上;同时该方法消除了传统设计中的频率偏移问题. 实测与仿真结果表明所设计的吸波体具有高Q值特征,也具有良好的雷达散射截面缩减效果,散射截面缩减最高达14 dBsm. 仿真和实测验证了设计方法的可靠性. 关键词： 基片集成波导技术 频率偏移 吸波率 雷达散射截面     

支撑介质对平面型电磁带隙结构带隙特性的影响

运用直线法对含有不同参数支撑介质的平面型电磁带隙（EBG）结构进行了分析.概述了算法的实现过程,使用周期边界条件隔离出一个结构单元作为计算区域,并利用直线法得到了位函数在各层介质界面间的传输方程.通过联立场分量与位函数的变换关系和界面处切向场分量的连续性条件,建立了本征方程, 得到了表征该EBG 结构表面波带隙的本征模频带图.同时,使用该方法对含有不同介电常数、不同厚度支撑介质的表面波带隙进行了计算.通过对计算结果的分析,得到了支撑介质对平面型EBG 结构带隙特性影响的六条结论,为平面型EBG 结构的设计 关键词： 超媒质 光子带隙 周期结构 表面波     

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     

一种新型宽带定向性贴片天线设计

利用超材料概念,通过在接地面上蚀刻条形缝隙图案,并引入"八木"天线中的反射器和引向器的设计思想,设计并且制作了一种超宽带强定向型贴片天线.仿真结果表明,天线相对带宽为65.3%(6.9—13.6 GHz),带内回波损耗均在-10 d B以下,整个频段内天线的增益均在4.4 d Bi以上.由于接地板上蚀刻的超材料结构的左手特性影响了天线介质基底的等效媒质参数,天线电磁场的传播方向被改变,天线辐射场主要集中在水平方向而不是传统贴片天线的垂直方向.在传统的贴片天线上引入反射器和引向器增强了天线的方向性.实验结果与仿真结果有较好的一致性.     

基于宽波束磁电偶极子天线的宽角扫描线性相控阵列

设计并加工了两款基于宽波束磁电偶极子天线单元的宽角扫描线性阵列.首先,通过加载磁偶极子的方法拓展了天线单元的3-dB波束宽度.然后,基于该宽波束天线单元设计了两款具有良好宽角扫描特性的一维阵列天线.实测结果表明,天线单元的E面方向图3-dB波束宽度在9GHz—12 GHz均大于107°,H面方向图3-dB波束宽度在7GHz—12 GHz均大于178°.E面阵列中心单元的有源驻波比在9GHz—13 GHz小于2,相对阻抗带宽为36.36%.H面阵列中心单元的有源驻波比在9.6GHz—12.6 GHz小于2.5,相对阻抗带宽为27.03%.E面阵列在9GHz—12 GHz可实现±70°的有效宽角扫描.H面阵列在9GHz—GHz可实现±90°的有效宽角扫描.与传统的扫描阵列相比,设计的阵列可实现有效宽带宽角扫描,在X波段相控阵雷达方面具有广阔的应用前景.     

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.     

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.