有源周期性結(jié)構(gòu)縮減表面RCS的研究＊

周 焱 蘇東林

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191）

0 引 言

飛行器的隱身研究是現(xiàn)代空戰(zhàn)的重要研究課題，而如何有效地將其表面散射的電磁波減少到最小的程度，即有效縮減表面雷達(dá)散射截面（RCS）是其中的難題.現(xiàn)在主要應(yīng)用于縮減物體RCS的技術(shù)主要分為外形減縮RCS，選用非金屬材料以及采用反雷達(dá)涂層等三類［1－2］.

周期性結(jié)構(gòu)，即光帶隙（PBG）目前被廣泛地應(yīng)用在微波電路、光纖通信以及納米材料的設(shè)計(jì)［3］.而頻率選擇表面（FSS）也是一種近年來發(fā)展迅速的周期性結(jié)構(gòu)表面，主要是針對(duì)雷達(dá)反射截面（RCS）的減縮而發(fā)展的，它具有角度／頻率變化特性，帶通／帶阻特性，典型的窄帶特性以及二維結(jié)構(gòu)的周期性［4］.

采用近似高阻抗結(jié)構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)形式，利用有源器件變?nèi)荻O管控制金屬單元貼片間的電容，有效改變電控層內(nèi)的電學(xué)性質(zhì)，吸收入射到表面的電磁波，從而有效縮減RCS是一項(xiàng)有效地隱身方法.而與吸波材料，飛行器外形共形設(shè)計(jì)的良好結(jié)合更是其研究發(fā)展的優(yōu)勢(shì)［5］.

本文從探討有源周期性結(jié)構(gòu)減縮RCS的原理出發(fā)，研究其工作本質(zhì)，并通過在仿真驗(yàn)證其理論的正確性和有效性.

1 周期性結(jié)構(gòu)減縮表面RCS原理

1.1 高阻抗表面結(jié)構(gòu)及其有源電控方式

高阻抗型周期性結(jié)構(gòu)是今年來PBG研究的熱點(diǎn)之一［6－7］，如圖1，高阻抗結(jié)構(gòu)（HIS）可以看作鋪設(shè)在介質(zhì)層上表面的周期性金屬貼片結(jié)構(gòu)和下表面的金屬地通過一個(gè)個(gè)通孔相連接而構(gòu)成的類似“蘑菇”形狀的周期性結(jié)構(gòu).通孔的長(zhǎng)度和介質(zhì)層的厚度一致，一般為λ／4，由于下表面的金屬地為短路狀態(tài)，則由阻抗變換的原理可知，上表面的周期性貼片金屬單元結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的電路狀態(tài)是開路狀態(tài)，即高阻抗?fàn)顟B(tài).

通過對(duì)高阻抗表面的某些改進(jìn)，可以有效的建立電控周期性結(jié)構(gòu)的模型，如圖2所示.將每個(gè)金屬單元與相鄰金屬單元間以變?nèi)荻O管連接，正負(fù)極連接方式，將二極管負(fù)極所連接的金屬單元中間的通孔結(jié)構(gòu)直接透過金屬地平面并將通孔壁與旁邊的金屬地隔離開，用以連接外加電控源.與二極管正極相連接的金屬單元中的通孔保持和金屬地面接通.這樣的結(jié)構(gòu)可以以電位差的形式驅(qū)動(dòng)變?nèi)荻O管的容值變化.變?nèi)荻O管的容值變化不僅改變了周期性結(jié)構(gòu)的等效LC網(wǎng)絡(luò)，也很大程度上影響了電介質(zhì)層的電參數(shù)，從而使得入射電磁波的性質(zhì)產(chǎn)生了改變.

介質(zhì)基板的厚度小于λ／4一樣可以對(duì)減縮RCS產(chǎn)生明顯的效果，而且在有源變?nèi)荻O管加在貼片單元上的時(shí)候，通孔的長(zhǎng)度被有效縮短，也是可以減薄基板的原因［8－9］.

圖1 高阻抗型周期性表面結(jié)構(gòu)（矩形單元）

圖2 有源控制單層高阻抗型周期性表面結(jié)構(gòu)

1.2 有源控制周期性結(jié)構(gòu)減縮RCS的方式

周期性結(jié)構(gòu)尤其是高阻抗型周期性結(jié)構(gòu)，可以影響介質(zhì)層的有效介電常數(shù)，由公式

從而改變電介質(zhì)的損耗角正切tanδ，使得入射的電磁波中的相當(dāng)一部分被介質(zhì)層吸收和損耗掉，從而降低了電磁波散射的能量，降低了RCS.在周期性單元間鋪設(shè)變?nèi)荻O管來控制有效介電常數(shù)的實(shí)部和虛部的變化，從而可以控制tanδ，控制降低RCS的幅度以及角度范圍.

同時(shí)周期性結(jié)構(gòu)表面在一定的頻率范圍內(nèi)，可以使得機(jī)身表面對(duì)于入射的電磁波呈現(xiàn)出一種類似粗糙平面或海平面似的效果，可以使得入射電磁波的散射類似一定程度上的漫反射效果，有效降低單站RCS.

2 有源電控原理

2.1 電介質(zhì)材料產(chǎn)生吸波能力原理

研究周期性結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的吸收，可以先通過探討多層電介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)反射系數(shù)來反映.理想的電介質(zhì)吸波性能可以用以下方程式表示：電場(chǎng)和磁場(chǎng)的切向元素必須在交界面上是連續(xù)的［10］.如果反射參數(shù)是

在無耗媒質(zhì)中，阻抗可以用相對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)磁率表示出來

如果媒質(zhì)1是空氣或自由空間，則理想的吸收材質(zhì)為零反射系數(shù).換而言之，比如理想的吸收材料具有參量εr2，與μr2相等.然而，在微波頻段，εr2的幅值通常無法達(dá)到μr2同樣的水平.而在吸收材質(zhì)中，一些材料可以從通過它們的電磁波的電磁場(chǎng)中吸收一部分能量.

考慮到媒質(zhì)的電導(dǎo)率，則有阻抗的公式

所以無論是吸波材料還是周期性具備吸波能力的結(jié)構(gòu)電路，其基本設(shè)計(jì)思路就是電介質(zhì)或磁介質(zhì)的安排設(shè)計(jì)以提供合適的阻抗，降低散射波，從而縮減了表面RCS.

2.2 電控周期性結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的吸收研究

對(duì)于類似高阻抗結(jié)構(gòu)的周期性結(jié)構(gòu)單元的組合，可以將其起決定作用的電容和電感值近似歸結(jié)到周期性結(jié)構(gòu)貼片單元之間的耦合電容和通孔的電感上.

分析周期性結(jié)構(gòu)單元，以單層單個(gè)單元為分析對(duì)象，將與地面的通孔也看作水平方向上的一層周期性結(jié)構(gòu)，則單層HIS結(jié)構(gòu)意味著兩層周期性結(jié)構(gòu)，同時(shí)這樣的矩形單元主要是一種電容性的結(jié)構(gòu)，整個(gè)電磁性能受到單元間耦合電容性能的制約，分層示意圖如圖3所示.

2.2.1 上層周期性單元層 對(duì)于上層，也就是周期性金屬貼片層，依靠自由空間到PBG單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部的阻抗推導(dǎo)，我們假設(shè)入射電磁波為TE模式，如圖4所示，可以得出，沿x方向的相對(duì)磁導(dǎo)率為

圖3 周期性結(jié)構(gòu)分層示意圖

式中：a為周期單元距離，就是PBG結(jié)構(gòu)的周期；h1為PBG金屬層的厚度；g為單元間距.方向介電常數(shù)是受到周圍平均介電常數(shù)影響的.式（6）說明，沿光軸方向的磁導(dǎo)率是橫向介電常數(shù)的倒數(shù).可以這樣說，結(jié)構(gòu)本身聚集了入射的電場(chǎng)，抑制了磁場(chǎng).這樣的結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)致TEM波沿著單元的縱向方向傳播，就象是多導(dǎo)體傳輸線.其中，電場(chǎng)分布在每一個(gè)單元的邊緣部位，磁場(chǎng)被束縛在單元的中間介質(zhì)層和金屬之間.有效介電常數(shù)會(huì)隨著聚集在條帶邊緣的電場(chǎng)能量的增加而升高，同時(shí)有效磁場(chǎng)強(qiáng)度則同時(shí)同比例地減小了.而這兩項(xiàng)因素是控制波速的，波速一定時(shí)，很容易證明這樣的相對(duì)變化.同時(shí)可以清楚地看到，波阻抗發(fā)生了很大的變化.而對(duì)于控制來說，控制PBG單元之間的金屬塊的間隙是最明顯的幾何變化量，同時(shí)也是最好地改變磁導(dǎo)率的變量.

2.2.2 下層通孔層 通孔陣列可以看作是周期性平面結(jié)構(gòu)，而這樣的陣列可以看作是一種介質(zhì)層空氣柱的周期性排列.如圖5所示，在頂層加負(fù)電壓的情況下，地面到頂層的電場(chǎng)方向如圖5所示是朝向上面的，而對(duì)于單個(gè)通孔和頂面金屬PBG單元結(jié)構(gòu)，又可以將它們看作是微帶天線的形式.

圖4 TE波入射情形

圖5 通孔層模型

而整個(gè)平面看作一個(gè)個(gè)“蘑菇”形狀的貼片天線陣列，惟一不同的是天線是饋電從下面饋入.而我們的結(jié)構(gòu)是沒有饋電的.中間的通孔可以看作一段直導(dǎo)線，在其中加以電場(chǎng)的情況下，有電流生成，因而產(chǎn)生磁場(chǎng).

分析此通孔單元，可以看做高電感性結(jié)構(gòu).可以通過磁場(chǎng)計(jì)算其電感值的估計(jì)為［8］

在低頻的條件下有［8］

式中：γ為填充率.有了電感的估計(jì)值，可以通過試驗(yàn)手法確定通孔周圍的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率.從而得出z方向的有效介電常數(shù)為［8］

式（9）是在低頻的情況下的近似，是相對(duì)于周期性結(jié)構(gòu)所無法起作用的很高的頻率所定義的.故有一個(gè)截止頻率，高于截止頻率就呈現(xiàn)出開路的性質(zhì)了.對(duì)于這樣的金屬－電介質(zhì)－通孔結(jié)構(gòu)，其ε的主要作用源就是填充率和單元的尺寸，這兩項(xiàng)元素并且影響其截止頻率.

而事實(shí)上，有效介電常數(shù)是可以將電磁波在平面表面所傳播的表面波負(fù)數(shù)率控制的.換句話說，就是比如假設(shè)介電常數(shù)從－10變?yōu)椋?，則在這個(gè)頻段的表面波是被截止的.而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來看，則表面波在一定頻段內(nèi)被抑制了［9－10］.

3 實(shí)驗(yàn)仿真

針對(duì)普通的微波基板材料，來仿真實(shí)驗(yàn)有源周期性結(jié)構(gòu)對(duì)RCS的減縮性能.在HFSS中模擬出變?nèi)荻O管的變?nèi)菽芰Γ梢葬槍?duì)變?nèi)荻O管在整個(gè)系統(tǒng)中所起到的主要作用，用一個(gè)無源實(shí)體來代替，并且設(shè)此實(shí)體的介電常數(shù)可變，通過以上的分析，可知介電常數(shù)的改變直接影響了其電容的變化，這樣一來，就用無源的實(shí)體模塊模擬了有源的二極管器件，如圖6所示.

圖6 在HFSS中模擬有源周期性結(jié)構(gòu)的方法

第二種方法是，直接在整個(gè)周期性結(jié)構(gòu)模型中，改變電可控層的矩形貼片的尺寸，原理也是間接改變了其之間的耦合電容，只是這樣的改變是對(duì)于仿真其性能而假設(shè)的改變，實(shí)際情況下是無法實(shí)現(xiàn)的.

基于以上方法，分別對(duì)不同層數(shù)的有源周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行HFSS分析，對(duì)于變?nèi)荻O管的容值變化范圍取通常的3～20pF，這里暫時(shí)不針對(duì)任何實(shí)際型號(hào)的二極管，只取普通的變?nèi)萘砍套鳛榇硇匝芯?同時(shí)對(duì)應(yīng)的模塊ε值的虛部為0.2～0.7的變化范圍.而對(duì)于多層的周期性結(jié)構(gòu)采用第二種方法變換各層金屬貼片的尺寸模擬互相連接變?nèi)荻O管電容的容值變化，或2種方法結(jié)合使用，幅度在±40%以內(nèi).同時(shí)仿真各結(jié)構(gòu)單站RCS值，取設(shè)定范圍內(nèi)各變化參數(shù)來體現(xiàn)在縮減RCS上的作用.由于基片設(shè)計(jì)采用的是εr＝10.2，所以在周期為5mm時(shí)，其周期性結(jié)構(gòu)的基本諧振頻點(diǎn)在7GHz附近.見圖7～8所示.

圖7 從整個(gè)表面上取出其中一個(gè)5mm×5mm的單元在HFSS上建立周期性邊界條件仿真

下面就平面金屬、單層有源周期性結(jié)構(gòu)、雙層以及三層結(jié)構(gòu)分別加以仿真，所有結(jié)構(gòu)取5mm×5mm單元.

圖8 單站RCS仿真結(jié)果

理論仿真結(jié)果表明：?jiǎn)螌佑性粗芷谛越Y(jié)構(gòu)可以使得RCS縮減了65－62.3＝2.7dB（7GHz），而采用的雙層和三層有源控制周期性結(jié)構(gòu)分別有能力在工作頻率點(diǎn)7GHz上將單站RCS降低了77－62.3＝14.7dB和86.5－62.3＝24.2dB.這是仿真的數(shù)據(jù)，實(shí)際情況下可能會(huì)有很多不理想的條件，結(jié)果會(huì)有差異，但仿真結(jié)果的趨勢(shì)是可以說明問題的.

在控制變?nèi)荻O管的容值使得縮減RCS效果產(chǎn)生變化的同時(shí)，吸收頻帶也發(fā)生了變化（圖9中的各條曲線頻點(diǎn)變化明顯，圖10中頻點(diǎn)都已經(jīng)降低到7GHz以下）.但所有的仿真試驗(yàn)都是建立在HFSS理想的條件下，而在目前國(guó)內(nèi)的多層高頻板的工藝各項(xiàng)條件差距比較大，而且加工精度無法達(dá)到這么高的情況下，無法制作實(shí)際的實(shí)驗(yàn)件測(cè)試得到進(jìn)一步的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料也是比較可惜的.

圖9 雙層矩形周期性結(jié)構(gòu)RCS

圖10 三層矩形周期性結(jié)構(gòu)RCS

4 結(jié)束語

通過對(duì)有源周期性結(jié)構(gòu)對(duì)介質(zhì)層電參數(shù)的改變影響，以及系統(tǒng)的RCS對(duì)比仿真分析.可以知道在類似高阻抗結(jié)構(gòu)的上層金屬單元間鋪設(shè)變?nèi)荻O管，有效地改變了電控層的電學(xué)性質(zhì)，使得整個(gè)表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了吸收電磁波的效果.同時(shí)有源周期性結(jié)構(gòu)表面還在吸收和抑制表面波等方面對(duì)減縮RCS作出了貢獻(xiàn)，并且其與吸波材料以及共形的結(jié)合能力也很強(qiáng).綜合多項(xiàng)性質(zhì)，可知有源周期性結(jié)構(gòu)可以很好的用在飛行器或其他物體的隱身、減縮RCS等用途上.

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