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基于相位梯度表面的低雷达散射截面天线研究

文章来源:甘肃快三信息中心编辑室   时间:2019-5-20 9:21:00 访问数:

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隐身性能逐步成为现代军事装备中的重要指标,直接关系着战场生存能力。在电磁波频段,物体的隐身性能由其雷达散射截面(RCS)这一指标来表征,RCS越小,则越不容易被雷达探测到。导弹、飞机、舰船等平台通常通过吸波涂层、外形结构设计等手段降低RCS,而平台上的天线由于需要实现特定的功能,且依靠金属或者介质结构产生电磁辐射,难以通过常用的手段降低RCS而成为较大的电磁散射源,极大的影响了平台的隐身性能。

超表面是一种新型的二维超材料表面,利用亚波长的单元结构按照一定的排布可以实现自然材料不具备的电磁特性。已经应用于高增益天线、超薄吸波体、隐身覆层等热门领域。将超表面的特性应用于天线设计中,在降低天线剖面、提高隐身性能等方面有明显的优势。

1  广义反射定律

相位梯度表面是超表面的一种,通过结构参数渐变的结构单元,对反射波/透射波形成梯度渐变的相位,从而在超材料表面形成一个与界面平行的波矢量,造成反射波/透射波的方向与经典理论值发生偏离,形成异常反射/折射。此特性可用于设计隐身覆层,或直接引入到天线设计过程中,从而实现具有隐身特性的天线。

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经典的反射定律认为反射角等于入射角,但当超表面在分界面上提供一个相位梯度叠加于反射波上,则反射角不再与入射角相等,而与该相位梯度有关,如图1(a)所示。

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其中:qr是反射角,qi是入射角,l0是空气中的波长,ni=1是空气折射率,dF/dy是超表面的相位梯度。

额外叠加的波矢量等于相位梯度x=dF/dy,则反射波的波矢量切向分量为k’=k0sinθi+ξ,则

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得到垂向分量k

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k2<0时,电场在垂向没有传播模式,而随距离呈指数衰减,表明电磁波束缚在相位梯度表面与空气的分界面上,切向传播,如图1(b)所示。可以得到相位梯度需要满足以下要求:

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2  低剖面天线设计

根据以上的理论,当入射角度为时,要求相位梯度满足dF/dy> k06个单元为1组,定义为一个大单元,共覆盖360°的相位变化,如图2(a)~(c),所设计的相位梯度dF/dy=1.25k0;从超表面上方法向入射的电磁波在表面耦合为切向传输的电磁波,如图2(d)所示。

将总共6×24(y×x)个大单元周期排布在尺寸为200 mm×200 mm的面积内,并在同一层介质板上的侧面使用平面波导作为馈源,实现低剖面天线,如图3所示,得到天线的方向图和端口回波损耗如图4所示。图4(a)~(c)分别表示0.975f0f01.025f0三个频点的方向图,图4(d)中的回波损耗在0.94f0~1.12f0频带范围内小于-10 dB

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天线的辐射方向都朝着馈源方向发生了偏移,该现象与理论分析相符,以发射天线来分析,辐射主波束方向由方程(5)决定:

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计算所得天线主波束方向在15°左右,与实测结果相符,可以通过调节超表面的相位梯度来设计主波束辐射方向。

3  雷达散射截面缩减

由于相位梯度表面由不同的单元构成,每个单元对反射波的相位不相同,进而使反射波无法在某一个方向实现有效的叠加,如图5(a),在中心频点f0处,由于相位梯度满足方程(4)的要求,法向入射电磁波转化为表面波,沿切向传播,几乎没有后向散射;在0.9f0处和1.1f0处,由于相位关系不再满足方程4的要求,无法有效转化为表面波,但各单元对入射波的相位延迟仍然存在一定的差异,反射波无法有效叠加,从而导致后向散射相比均匀分布仍然有较大的缩减。不同极化的入射波照射到超表面上时,雷达散射截面在整个频带内相比金属平板都有较大的缩减,如图5(b)

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