馬于惠 劉璐 賈帥宇 王祎昊 李妍

（西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710127）

引 言

隨著雷達(dá)探測(cè)以及各國反導(dǎo)、反艦等系統(tǒng)的愈發(fā)成熟，隱身技術(shù)的研發(fā)對(duì)于各類武器系統(tǒng)的生存能力影響越來越大. 隱身技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)就是雷達(dá)散射截面(radar cross section，RCS)[1]，其是指目標(biāo)物體被電磁波照射時(shí)，在某一方向上返回散射功率的量度，它是表征物體散射特性的重要指標(biāo). RCS與目標(biāo)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，也與入射波的電磁基本特性如頻率、極化、入射角等相關(guān). 同時(shí)，天線作為一種特殊的散射體，其本身具有發(fā)射和接收電磁波的能力，但為了保證自身良好的輻射性能，常規(guī)的目標(biāo)隱身方式無法直接用于天線的RCS 減縮. 目前目標(biāo)平臺(tái)的散射控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但相比于目標(biāo)平臺(tái)，置于其上天線的RCS 問題逐漸凸顯，最終天線的RCS 水平成為目標(biāo)平臺(tái)整體隱身性能好壞的一個(gè)重要因素.

目前，RCS 減縮的主要手段一般包括外形設(shè)計(jì)、涂敷吸波材料、有源及無源對(duì)消等[2-4]. 與此同時(shí)，針對(duì)天線RCS 減縮的特殊性，超材料技術(shù)逐漸被引入天線RCS 減縮中[5-7]，常見的用于天線RCS 減縮的超材料有頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)、電磁帶隙(electromagnetic band gap, EBG)結(jié)構(gòu)、超材料吸波體(metamaterials absorber, MA)等. FSS結(jié)構(gòu)常被用于天線的反射板來降低天線的RCS，而這種方式只能針對(duì)天線工作頻帶之外的帶外RCS 減縮[5]. 由于EBG 結(jié)構(gòu)本身帶寬的限制，它的使用一般只能針對(duì)窄帶RCS 減縮[8]. MA 也被稱作結(jié)構(gòu)型吸波材料，近年來也越來越多地被用于天線的RCS 減縮中，然而一般的MA 結(jié)構(gòu)用于天線的RCS 減縮主要是將MA 結(jié)構(gòu)置于天線的四周，或置于陣列天線單元之間，這種方式無疑會(huì)嚴(yán)重增加天線系統(tǒng)的整體尺寸且會(huì)影響天線的輻射特性[9]. 同時(shí)，MA 結(jié)構(gòu)的吸波帶寬也是限制它在天線RCS 減縮當(dāng)中進(jìn)一步應(yīng)用的一個(gè)阻礙因素.

為此，有國外學(xué)者提出將氮化鉭材料用于MA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將傳統(tǒng)MA 結(jié)構(gòu)中的周期性金屬貼片用氮化鉭材料置換，利用氮化鉭材料的半導(dǎo)體特性，可以極大地增加MA 結(jié)構(gòu)的吸波帶寬. 文獻(xiàn)[10]就采用了一種基于氮化鉭材料的寬頻帶吸波材料，并將這種結(jié)構(gòu)用于微帶縫隙天線的RCS 減縮中，使得天線的單站RCS 在2～18 GHz 的超寬頻帶范圍內(nèi)均有明顯的減縮. 文獻(xiàn)[11]也將這種采用具有阻抗特性材料作為周期性材料構(gòu)成的MA 結(jié)構(gòu)用于微帶貼片天線的RCS 減縮，最終減縮帶寬可達(dá)4～22 GHz.盡管這種手段解決了MA 結(jié)構(gòu)的寬頻吸波問題，但對(duì)于天線的增益也會(huì)造成巨大的損失，如文獻(xiàn)[11]中天線的增益下降了1 dB.

據(jù)此，本文對(duì)于基于氮化鉭材料的超表面問題進(jìn)行了研究. 氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板的另一側(cè)需要金屬板，這里考慮采用帶通型FSS 代替原氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)的金屬板. 在FSS 的通帶之外也就是阻帶的較寬頻率范圍內(nèi)，F(xiàn)SS 仍可以被看作金屬板，且氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)的吸波特性能夠保留. 而在FSS 的通帶范圍內(nèi)，電磁波可以正常通過，并無任何吸波特性.本文將這種具有特殊吸波與透波特性的超表面簡(jiǎn)稱為吸波/透波(absorptive/transmissive，A/T)超表面，并將A/T 超表面作為微帶天線的覆層使用，稱這種應(yīng)用方式下的A/T 超表面為A/T 覆層. 將A/T 覆層中氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)的一側(cè)朝向外部空間，而將FSS 結(jié)構(gòu)一側(cè)朝向天線，并使得天線的工作頻帶和FSS 的通帶相重合. 最終，當(dāng)天線工作時(shí)，由天線輻射出的電磁波可以毫無阻礙地穿過覆層，而由外部空間照射至天線的電磁波在工作頻帶之外的部分均被上層的氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)吸收，從而完美地實(shí)現(xiàn)了天線的超寬帶、帶外RCS 減縮，且天線的輻射特性得以保留. 結(jié)果表明：在保證天線輻射特性的基礎(chǔ)上，微帶天線的RCS 減縮頻帶范圍可達(dá)5～19 GHz，最大減縮量可達(dá)20 dB 以上；同時(shí)，天線的單、雙站RCS 在較寬的角度范圍內(nèi)也得到明顯的縮減.

1 A/T 覆層的設(shè)計(jì)與分析

A/T 覆層超表面由上層的周期性氮化鉭結(jié)構(gòu)以及下層的FSS 結(jié)構(gòu)組成，在對(duì)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析之前，首先需要對(duì)兩種結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行仿真，通過對(duì)這兩種不同結(jié)構(gòu)的A/T 特性進(jìn)行仿真分析，來幫助我們對(duì)所提出的A/T 覆層超表面的原理進(jìn)行解釋與分析.

首先給出基于氮化鉭材料的結(jié)構(gòu)型吸波材料仿真實(shí)例. 氮化鉭為黑色六方結(jié)晶，相對(duì)密度為13.4，熔點(diǎn)為3 090 ℃，顯微硬度為1 100 kg/mm2，電阻率為128 μΩ·cm. 氮化鉭材料是一種用來制造精確片狀電阻的材料，具有可抵抗水汽侵蝕的特性. 也可用作超硬質(zhì)材料添加劑，用于噴涂，增加變壓器、集成線路、二極管的電穩(wěn)定性. 本文所有的仿真過程均采用Ansys 公司的HFSS15 軟件進(jìn)行. 圖1 所示為氮化鉭材料隨厚度變化時(shí)的吸波特性曲線. 可以看出，氮化鉭材料本身是不具備吸波特性的，而隨著厚度增大，其特性愈加趨向于全反射. 因此，氮化鉭材料無法直接用作吸波材料設(shè)計(jì)，將氮化鉭材料周期性排布并進(jìn)行單元設(shè)計(jì)是十分必要的.

圖1 氮化鉭材料吸波特性曲線Fig. 1 The absorber characteristic curve of the tantalum nitride

圖2 所示為采用氮化鉭材料置換普通金屬貼片后MA 的結(jié)構(gòu)示意圖. 氮化鉭MA 采用Teflon介質(zhì)板，介質(zhì)板介電常數(shù)為2.2，正切損耗角為0.000 9，介質(zhì)厚度為2 mm. 上層由周期性排布的氮化鉭材料構(gòu)成，材料的導(dǎo)電率為7 400 S/m，下層為金屬板.

圖2 氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 The configuration of the tantalum nitride MA unit

圖3 給出了氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)隨頻率變化曲線. 可以看出，在7～22 GHz 頻帶范圍S11均低于-5 dB，說明這種基于氮化鉭材料的MA 結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶吸波. 為了實(shí)現(xiàn)本文所提出的A/T 超表面特性，這里又設(shè)計(jì)了一款帶通型FSS. 圖4 所示為帶通型FSS 結(jié)構(gòu)示意圖，由于最終要用FSS 結(jié)構(gòu)置換氮化鉭MA 的金屬板，因此FSS 在仿真中使用與氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)相同的介質(zhì)板.

圖3 氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)反射系數(shù)曲線Fig. 3 The S11 of the tantalum nitride MA structure

圖4 帶通型FSS 結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 The configuration of the band-pass FSS unit

圖5 給出了FSS 的S 參數(shù)隨頻率變化曲線. 可以看出，F(xiàn)SS 結(jié)構(gòu)在3.6 GHz 左右產(chǎn)生一組通帶，若天線工作頻帶與FSS 結(jié)構(gòu)的通帶重合，則天線輻射的電磁波能夠順利穿過FSS 結(jié)構(gòu). 因此，本文微帶天線實(shí)例的工作中心頻點(diǎn)為3.6 GHz. 由以上分析可知，當(dāng)?shù)gMA 結(jié)構(gòu)采用金屬板時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)7～22 GHz 的寬頻帶吸波效果，而所給出的FSS 結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑻炀€的工作頻帶與通帶重合. 若將FSS 結(jié)構(gòu)置換氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)的金屬板，則在天線的工作頻帶范圍內(nèi)，由于FSS 的帶通特性，天線輻射的電磁波能夠順利穿過覆層. 在天線的工作頻帶范圍外，F(xiàn)SS 結(jié)構(gòu)可以被當(dāng)作金屬反射板，則氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)可以正常工作. 因此當(dāng)天線工作時(shí)，由天線輻射出的電磁波可以毫無阻礙地穿過覆層，而由外部空間照射至天線的電磁波在工作頻帶之外的部分均被上層的氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)吸收. 為了驗(yàn)證此理論，本文將氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)與FSS 結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成A/T 覆層超表面.圖6 所示為A/T 超表面單元的結(jié)構(gòu)示意圖，A/T 覆層的介質(zhì)板參數(shù)與氮化鉭MA 結(jié)構(gòu)所使用的介質(zhì)板相同.

圖5 FSS 的S 參數(shù)隨頻率變化曲線Fig. 5 The S parameters of the FSS vs. frequencies

圖6 A/T 超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 The configuration of the A/T metasurface unit

圖7 給出了A/T 超表面單元的S 參數(shù)隨頻率變化曲線，實(shí)線為電磁波照射至A/T 超表面時(shí)的反射系數(shù)S11，虛線為下方天線輻射的電磁波穿過A/T 超表面的透射系數(shù)S12. 仿真時(shí)端口1 朝向氮化鉭結(jié)構(gòu)一側(cè)，端口2 朝向FSS 結(jié)構(gòu)一側(cè). 所采用入射波激勵(lì)為TM 極化，由于所設(shè)計(jì)單元為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于TE 極化效果并不明顯. 與前面所給出的FSS 結(jié)構(gòu)的結(jié)果類似，A/T 超表面能夠在3.6 GHz 左右產(chǎn)生一組通帶，與天線的工作頻帶重合. 說明A/T 超表面作為天線覆層時(shí)并未對(duì)天線輻射的電磁波產(chǎn)生阻礙，天線輻射的電磁波能夠順利穿過FSS 結(jié)構(gòu). 而對(duì)于外部空間照射至A/T 超表面的電磁波，在7～20 GHz左右反射系數(shù)基本低于-5 dB. 其中反射系數(shù)的一些峰值是由于FSS 結(jié)構(gòu)中除了3.6 GHz 的通帶之外還存在高次模所造成，但基本能夠保證天線覆層在除天線工作頻帶外的較寬頻帶范圍內(nèi)對(duì)入射波的吸收作用.

圖7 A/T 超表面單元S 參數(shù)隨頻率變化曲線Fig. 7 The S parameters of the A/T metasurface vs.frequencies

2 A/T 覆層在天線RCS 減縮中的應(yīng)用

§1 對(duì)A/T 超表面進(jìn)行了仿真分析，本節(jié)針對(duì)之前給出的A/T 超表面模型，將其作為天線覆層置于微帶天線的上方，對(duì)使用覆層前后Y 微帶天線的輻射散射特性進(jìn)行分析. 圖8所示為微帶天線的結(jié)構(gòu)圖以及使用A/T 覆層后的天線結(jié)構(gòu)示意圖. 微帶天線中金屬輻射貼片的尺寸為27 mm×25.9 mm，介質(zhì)板尺 寸 為58.8 mm×58.8 mm×2 mm. 介 質(zhì) 板 仍 采 用Teflon 板，介電常數(shù)為2.2，正切損耗角為0.000 9. 天線饋電采取底饋方式，饋電點(diǎn)距離微帶貼片中心距離為4.5 mm，覆層距天線表面18 mm.

圖8 使用A/T 覆層的微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 The configuration of the microstrip antenna with A/T superstrate

首先對(duì)天線的輻射特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，圖9 所示為使用覆層前后天線的S11曲線. 可以看出，天線的中心工作頻點(diǎn)為3.6 GHz，且使用覆層前后天線的S11基本保持不變. 圖10 所示為使用A/T 覆層前后微帶天線的輻射方向圖主極化與交叉極化曲線. 可以看出，使用A/T 覆層后微帶天線的輻射方向圖與使用覆層前相比吻合良好，且增益提高了約1.1 dB. 還可以看出，與一般的RCS 減縮技術(shù)相比，本文所提出的方法不但沒有出現(xiàn)增益的損失還能夠小幅提高天線的增益. 其主要原因是，由于天線上方覆層的存在，使得覆層和天線之間產(chǎn)生了Fabry-Perot 諧振效應(yīng)，起到了一定的波束匯聚作用[2,12]，從而增加了天線的增益. 由以上分析可得，在天線的工作頻帶內(nèi)，使用A/T 覆層能夠最大限度地保證天線的輻射性能.

圖9 使用A/T 覆層前后天線S11 曲線Fig. 9 The S11 of the antenna with and without A/T superstrate

圖10 使用A/T 覆層前后天線輻射方向圖(3.6 GHz)Fig. 10 The radiation pattern of the antenna with and without A/T superstrate(3.6 GHz)

為了驗(yàn)證使用A/T 覆層的RCS 減縮效果，下面對(duì)使用A/T 覆層前后微帶天線的單站RCS 進(jìn)行仿真. 設(shè)置入射波沿天線表面的法線方向垂直于天線照射，入射波極化為θ 極化，天線的單站RCS 隨頻率變化曲線如圖11 所示. 可以看出，使用A/T 覆層后，微帶天線的單站RCS 在5～19 GHz 頻段范圍內(nèi)均有不同程度的縮減，其中在15.4 GHz 時(shí)，最大縮減量可達(dá)20 dB. 而在9.5 GHz等幾個(gè)頻點(diǎn)所出現(xiàn)的峰值同樣是由FSS 結(jié)構(gòu)的高次模造成的，但基本不影響天線在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬頻RCS 減縮. 說明將A/T 覆層置于天線上方用于天線RCS 減縮的方法是有效可行的.

圖11 使用A/T 覆層前后單站RCS 隨頻率變化曲線Fig. 11 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate

圖12 及圖13 給出了不同頻率處使用A/T 覆層前后微帶天線的單站RCS 隨入射波入射角變化的仿真曲線，入射波極化均為θ 極化. 由圖12 可知：使用A/T 覆層時(shí)，天線xoz面的RCS 減縮區(qū)間為-15°≤θ≤15°、40°≤θ≤90°以及-90°≤θ≤-40°，最大減縮量可達(dá)10 dB 以上；yoz面的RCS 減縮區(qū)間為-10°≤θ≤10°、40°≤θ≤90°以 及-90°≤θ≤-40°. 由圖13 可知，xoz面與yoz面上的微帶天線單站RCS 均有不同程度縮減，減縮區(qū)間為-40°≤θ≤40°、70°≤θ≤90°以及-90°≤θ≤-70°. 由此可得，微帶天線使用A/T 覆層后，天線的單站RCS 在一定角度范圍內(nèi)均有明顯降低.

圖12 使用A/T 覆層前后天線單站RCS 隨入射波入射角變化曲線(8.5 GHz)Fig. 12 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(8.5 GHz)

圖13 使用A/T 覆層前后天線單站RCS 隨入射波入射角變化曲線(15.5 GHz)Fig. 13 The comparison of the monostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(15.5 GHz)

對(duì)應(yīng)于雙站RCS 的角度變化曲線，圖14、圖15給出了不同頻率處使用A/T 覆層前后微帶天線的雙站RCS 隨入射波入射角度變化曲線. 入射波垂直于天線入射，極化方式為θ 極化. 由圖14 可知：使用A/T 覆層時(shí)，天線xoz面的雙站RCS 在天線的整個(gè)上方空間實(shí)現(xiàn)了全角域的RCS 減縮，最大減縮量可達(dá)10 dB 以上；yoz面上雙站RCS 的減縮區(qū)間為-50°≤θ≤50°. 由 圖15 可 知：xoz面 上 微 帶 天 線 的 雙 站RCS 減縮區(qū)間為-45°≤θ≤45°；yoz面上天線的雙站RCS 減 縮 區(qū) 間 為-30°≤θ≤30°. 由 天 線 的 雙 站RCS 隨角度的變化曲線可以進(jìn)一步說明，微帶天線使用A/T 覆層后，天線的總體RCS 在一定角度范圍內(nèi)均有明顯降低，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值.

圖14 使用A/T 覆層前后天線雙站RCS 隨入射波入射角變化曲線(8.5 GHz)Fig. 14 The comparison of the bistatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(8.5 GHz)

圖15 使用A/T 覆層前后天線雙站RCS 隨入射波入射角變化曲線(15.5 GHz)Fig. 15 The comparison of the binostatic RCS of the antenna with and without A/T superstrate under different incident angles(15.5 GHz)

3 結(jié) 論

本文提出一種采用A/T 超表面用以天線覆層，利用覆層對(duì)于不同方向電磁波入射時(shí)所呈現(xiàn)的不同電磁特性，最終實(shí)現(xiàn)了微帶天線的寬帶RCS 減縮. 相比于現(xiàn)有文獻(xiàn)，本文所提出的方法可最大限度地保留天線輻射性能的前提下，實(shí)現(xiàn)天線的超寬帶、帶外RCS 減縮. 研究結(jié)果可為國防機(jī)載彈載天線的RCS 控制領(lǐng)域提供技術(shù)支持，還可與材料學(xué)科領(lǐng)域交叉，提升吸波特性與帶寬.