基于超材料的寬帶高增益低雷達(dá)散射截面天線

劉 濤 曹祥玉 高 軍 楊 群 李文強(qiáng)

(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

引 言

微帶貼片天線是最常用的印刷天線之一，它具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和易共形的優(yōu)點(diǎn)。然而此類天線卻有一個(gè)顯著缺點(diǎn)就是帶寬窄。增加帶寬的常用方法之一就是增加介質(zhì)基底的厚度，同時(shí)介電常數(shù)要小，但厚度增加會(huì)導(dǎo)致較大的表面波和寄生輻射，使增益降低。超材料(metamaterial)的出現(xiàn)為克服傳統(tǒng)天線缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)新型天線提供了新的技術(shù)手段。基于metamaterial的微帶貼片天線具體應(yīng)用形式主要有以下四類：1) metamaterial激勵(lì)型天線。這種天線的工作機(jī)理是將metamaterial設(shè)計(jì)作為天線的一部份，metamaterial結(jié)構(gòu)在天線系統(tǒng)中起到了輻射作用，可以有效改善原始天線的性能，比如增大工作帶寬[1-3]、提高天線的效率[4]、天線小型化等[5]。2)天線基板中全部或部分加載metamaterial。利用metamaterial的電磁帶隙特性，抑制基板中的表面波，從而減小天線的后向輻射，提高前向增益[6]；應(yīng)用在陣列天線中，將有效抑制天線單元之間的互耦[7]；如果是利用metamaterial(電負(fù)媒質(zhì)、磁負(fù)媒質(zhì)以及雙負(fù)媒質(zhì)等)作為天線基板，可以構(gòu)成亞波長(zhǎng)諧振腔，進(jìn)而構(gòu)造出亞波長(zhǎng)天線，實(shí)現(xiàn)天線的小型化，在保證輻射效率不變的前提下也具有較高的增益[8-10]。3)metamaterial覆層型天線。這種加載方式主要是利用metamaterial的零折射原理來實(shí)現(xiàn)天線的高增益、窄波束特性[11-12]。4)metamaterial低雷達(dá)散射界面(RCS)天線。利用metamaterial的帶阻特性做天線基底，則帶外電磁波能夠透射過去進(jìn)而減縮天線RCS[13]；利用metamaterial的同向反射特性制造超薄吸波材料，放置在天線口徑周圍可有效吸收入射電磁波，降低RCS[14-15]。

文獻(xiàn)[16]通過在天線貼片和接地面上蝕刻平面metamaterial圖案提出了一種新穎的寬帶高增益貼片天線，但其采用的metamaterial結(jié)構(gòu)是一種窄帶高損耗結(jié)構(gòu)，對(duì)天線帶寬擴(kuò)展有一定的限制。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于三角諧振單元的寬帶低損耗metamaterial單元結(jié)構(gòu)。本文利用文獻(xiàn)[17]結(jié)構(gòu)代替文獻(xiàn)[16]結(jié)構(gòu)，天線帶寬得到了進(jìn)一步展寬，帶寬內(nèi)增益值變化較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果取得了較好的一致性。

1.天線設(shè)計(jì)與分析

本文提出天線結(jié)構(gòu)及其具體尺寸如圖1(a)和(b)，在天線貼片上蝕刻周期CTER圖案，接地面上蝕刻周期條形縫隙，為了使新天線和初始天線在饋電輸入能量上保持一致，在饋電微帶線下方和周圍沒有蝕刻圖案。與文獻(xiàn)[16]相比，天線貼片和接地面結(jié)構(gòu)尺寸相同，差別在于貼片圖案調(diào)整為文獻(xiàn)[17]中左手單元結(jié)構(gòu)(TER)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)CTER，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有的加工材料規(guī)格，介質(zhì)基底雖仍采用羅杰斯5880，εr=2.2，但厚度由文獻(xiàn)[16]中0.794 mm微調(diào)為0.78 mm.CTER單元結(jié)構(gòu)如圖1(c)，具體尺寸為等腰直角三角形直角邊邊長(zhǎng)a=2.5 mm，斜邊開口左邊線長(zhǎng)(右邊線長(zhǎng)與其相等)b=1.52 mm，兩個(gè)三角環(huán)間距d=0.2 mm.開口寬度g=0.5 mm，中間金屬線寬度t=0.2 mm，三角形線寬w=0.2 mm.文獻(xiàn)[17]已證明該結(jié)構(gòu)尺寸TER單元的左手特性，因此，這里不再討論。

(a) 天線貼片 (b) 接地面

(c) CTER單元圖1 CTER單元結(jié)構(gòu)及貼片天線的結(jié)構(gòu)

分析新天線結(jié)構(gòu)可以看到：天線貼片上CTER單元圖案和接地面條形縫隙圖案分別是文獻(xiàn)[17]左手單元結(jié)構(gòu)(TER)和金屬條(SWs)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)[18]提出的巴比涅互補(bǔ)原理在metamaterial設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，CTER和條形縫隙恰好構(gòu)成一個(gè)具有左手特性的耦合電容電感電路。相比文獻(xiàn)[16]貼片圖案結(jié)構(gòu)，本文結(jié)構(gòu)對(duì)介質(zhì)基底的等效媒質(zhì)參數(shù)產(chǎn)生了更為強(qiáng)烈的影響。

2.仿真與實(shí)驗(yàn)

使用有限元仿真軟件HFSS10.0對(duì)初始天線和新天線進(jìn)行了仿真分析，新天線地面縫隙尺寸分別取0.3 mm和0.4 mm.仿真的新天線和初始天線的回波損耗S11結(jié)果如圖2.由仿真結(jié)果可以看到(括號(hào)中為文獻(xiàn)[16]仿真結(jié)果)：初始天線的-10 dB工作帶寬是7.56～7.78 GHz(7.1～7.3 GHz)，諧振中心頻率7.67 GHz(7.2 GHz)，絕對(duì)帶寬0.22 MHz(0.2 MHz)，相對(duì)帶寬2.9%(2.8%)。當(dāng)接地面縫隙寬度為0.4 mm時(shí)，-10 dB工作頻帶為4.62～9.02 GHz(5.3～8.5GHz)，諧振中心頻率6.82 GHz(6.9 GHz)，絕對(duì)帶寬4.4 GHz(3.2 GHz)，是初始天線帶寬的20倍(16倍)，相對(duì)帶寬64.5%(46.4%)。當(dāng)縫隙寬度為0.3 mm時(shí)，-10 dB工作頻帶4.66～8.78 GHz(5.7～8.6 GHz)，諧振中心頻率6.72 GHz(7.15 GHz)，絕對(duì)帶寬4.12 GHz(2. 9GHz)，是初始天線的18.7倍(14.5倍)，相對(duì)帶寬61.3%(40.6%)?？梢钥吹剑罕疚奶岢鎏炀€絕對(duì)帶寬在兩種情況下都顯著大于文獻(xiàn)[16]的結(jié)果。由于介質(zhì)基底厚度和仿真模型的稍微差別，初始天線中心頻率相差了470 MHz.

圖2 回波損耗仿真結(jié)果

為了證實(shí)仿真分析結(jié)果，加工了新天線和初始天線，新天線照片如圖3，并用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了天線回波損耗S11和駐波比(VSWR)，測(cè)試結(jié)果分別如圖4和5，和仿真結(jié)果相比，二者-10 dB工作帶寬基本一致。VSWR值大部分都在2.0以下，低的VSWR值表明新天線輻射效率較高，損耗較小。

圖3 加工的天線照片

圖4 回波損耗測(cè)試結(jié)果

圖5 仿真和測(cè)試的駐波

由于左手傳輸特性，新天線最大輻射方向在水平方向而不是傳統(tǒng)貼片天線的垂直方向。為了證實(shí)天線的這一特性，在工作帶寬內(nèi)隨機(jī)選取了兩個(gè)頻率6.6 GHz和7.7 GHz，給出了其3維和2維輻射方向圖，如圖6和圖7.從方向圖可以看到：天線輻射能量主要集中在水平x方向，在y方向也有較強(qiáng)的輻射，而且在兩個(gè)方向交叉極化也得到較好的抑制。利用天線的這一輻射特性可以傳輸兩路正交信號(hào)，在某些情況下該天線能夠得到應(yīng)用。

蝕刻metamaterial結(jié)構(gòu)后，天線最顯著特點(diǎn)之一就是帶寬的展寬。一般微帶天線帶寬展寬伴隨天線增益的降低，但本結(jié)構(gòu)形式的天線增益在整個(gè)帶寬內(nèi)仍保持了較高的增益。圖8給出了接地面縫隙寬度0.4 mm時(shí)天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)的增益計(jì)算值，可以看到：天線增益一般都在5 dB以上，最大增益7.5 dB.相比文獻(xiàn)[16]的天線增益，新天線在整個(gè)帶寬內(nèi)增益變化幅度較小，最大增益也稍微增大。分析認(rèn)為，這是由于新天線采用的CTER結(jié)構(gòu)有更大的左手特性帶寬和更低的損耗引起的。

(a) 6.6 GHz xy-平面

(b) 7.7 GHz xy-平面

(c) 6.6 GHz yz-平面

(d) 7.7 GHz yz-平面圖7 3維方向圖

圖8 接地面縫隙寬度0.4 mm時(shí)天線增益

利用平面波照射觀察了新天線兩個(gè)鼻錐方向的RCS，并與初始天線進(jìn)行了比較，如圖9，可以看到：在工作帶寬內(nèi)，新天線在x和y兩個(gè)輻射方向RCS都有5 dB以上的減縮，最大減縮22 dB.

圖9 天線鼻錐方向RCS比較

3. 結(jié) 論

自從metamaterial概念出現(xiàn)以來，天線工程人員就一直努力嘗試在實(shí)際工程中應(yīng)用metamaterial以設(shè)計(jì)新穎的天線。文獻(xiàn)[16]提出的新天線具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值，本文利用具有寬帶低耗特點(diǎn)的metamaterial結(jié)構(gòu)代替文獻(xiàn)[16]中窄帶高損耗metamaterial結(jié)構(gòu)，天線帶寬由3.2 GHz展寬到4.4 GHz(相對(duì)帶寬由46.4%展寬到64.5%)，天線最大增益有所提高，在工作帶寬內(nèi)天線鼻錐方向RCS得到了有效減縮。

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