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     

基于裂纹模板法的金属网格透明导电薄膜制备及性能改进

基于裂纹模板法制备了一种高屏蔽性能的金属网格透明导电薄膜.采用现有裂纹模板法制备得到的金属网格透明导电薄膜,其金属网格厚度较薄,屏蔽性能有待改进.本文在研究了裂纹材料的旋涂转速对龟裂图案的影响关系分布曲线中,增加了缝隙深度因子,选取了合适的裂纹材料和旋涂方案,制备得到理想的随机图案分布的裂纹模板.通过磁控溅射法在裂纹模板缝隙内外沉积厚度为1μm的金属层,引入了超声波清洗结合有机溶剂的方法,高效去除裂纹胶模板后,得到了金属网格透明导电薄膜样品.实测的金属网格透明导电薄膜样品透光率超过85%,同时方阻值保持在2.8Ω/左右,具有良好的透光和电磁屏蔽性能.通过制备加厚金属网格透明导电薄膜改进了屏蔽性能,为后续基于裂纹模板法制备高屏蔽性能金属网格透明导电薄膜提供了参考.     

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.     

Design of multi-band metasurface antenna array with low RCS performance

In this paper, a multi-band metasurface(MS) antenna array with low radar cross section(RCS) performance is proposed and measured. Firstly, a 44 antenna array is composed of four 22 Jerusalem cross structure antenna arrays working at different frequency bands, which is aimed at enhancing the bandwidth effectively. Then, each antenna can be seen as a unit of MS in spite of adding the feeding structure. Based on phase cancellation principle, the MS is arranged into a chessboard configuration in order to realize wideband RCS reduction. Thus, excellent radiation and scattering characteristics are obtained simultaneously. Simulated and measured results indicate that this work provides a novel method to achieve bandwidth expansion as well as wideband RCS reduction of the antenna array.     

覆盖X和Ku波段的低雷达散射截面人工磁导体反射屏

设计并制备了一种基于人工磁导体(artificial magnetic conductor, AMC)的覆盖X和Ku波段的宽带低雷达散射截面(radar cross section, RCS)反射屏. 将双频带耶路撒冷十字形AMC结构和宽带双金属方形AMC结构复合, 通过参数优化, 使耶路撒冷十字形结构的反射相位反转频点与方形结构的反射相位零值频点重合或者非常接近, 进一步扩宽有效相位差区域, 从而拓展RCS减缩带宽. 给出了反射能量峰值方位的一般理论计算公式, 当入射角度、棋盘单元尺寸和观察频率确定后, 可通过公式计算出反射峰的方位. HFSS软件仿真结果与理论计算结果符合较好, 验证了理论公式的正确性. 同时与等尺寸金属平板相比, 在7.4–17.0 GHz 频带内, 除9.8 GHz附近的少数频点外, 天线后向RCS均有-10 dB以上的减缩, 基本覆盖X波段和Ku波段, 相对带宽为78.7%, 在11.6 GHz时, 减缩量最大, 达到40.3 dB. 加工了反射屏实物并进行测试, 测试结果与仿真结果基本一致, 证实了反射屏具有宽带的低RCS特性.     

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.