基于UC-EBG的吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在微帶天線中的應(yīng)用?

張浩??，曹祥玉，楊歡歡，趙一，鄭秋容

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

基于UC-EBG的吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在微帶天線中的應(yīng)用?

張浩??，曹祥玉，楊歡歡，趙一，鄭秋容

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

在共面緊湊型光子晶體結(jié)構(gòu)（Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap，UC-EBG）基礎(chǔ)上加載集總電阻，設(shè)計(jì)出一種新型吸波結(jié)構(gòu)，并分析了其吸波原理。將其加載于微帶天線，用于減縮天線帶內(nèi)雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）。仿真結(jié)果表明，在諧振頻點(diǎn)，該吸波結(jié)構(gòu)的吸波率達(dá)到99.8%。加載該結(jié)構(gòu)后，天線的輻射性能基本保持不變，而對(duì)于垂直入射的TE波和TM波，其帶內(nèi)RCS分別減縮了26.22 dB和15.08 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)可以減縮微帶天線的帶內(nèi)RCS，從而提高其帶內(nèi)隱身性能。

微帶天線；吸波結(jié)構(gòu)；UC-EBG；帶內(nèi)隱身；RCS縮減

1 引言

隨著電子戰(zhàn)的發(fā)展，天線系統(tǒng)的隱身引起越來越多的重視。微帶天線以其重量輕、低輪廓、易于制造和易于飛行器表面共形等優(yōu)點(diǎn)，在各種作戰(zhàn)平臺(tái)上得到了廣泛應(yīng)用，但微帶天線雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)整體的RCS貢獻(xiàn)較大的問題日益突出。因此，降低微帶天線RCS成為了近年來隱身方面研究的熱點(diǎn)［1－4］。

加載雷達(dá)吸波材料可以有效減縮天線的RCS。最常用的雷達(dá)吸波材料是Salisbury屏［5］，但該結(jié)構(gòu)的厚度具有1／4波長的限制，它是由損耗層和間隔層組成的一種結(jié)構(gòu)，將電阻片放置在距離金屬底板1／4波長處，能有效吸收電磁波。但該結(jié)構(gòu)相對(duì)較厚，不適合直接應(yīng)用于天線。為了設(shè)計(jì)超薄結(jié)構(gòu)，研究人員提出利用EBG結(jié)構(gòu)加載集總電阻的方法來實(shí)現(xiàn)超薄吸波［6－7］。但是傳統(tǒng)的EBG結(jié)構(gòu)有金屬過孔，工藝較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，不利于推廣。Yang等人提出了一種新型的共面緊湊型電磁帶隙結(jié)構(gòu)（UC-EBG）［8］，該結(jié)構(gòu)工藝更為簡(jiǎn)單，具有平面、緊湊、損耗低的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于微帶天線中抑制表面波，提高天線的輻射特性［9－10］，但是這種UCEBG結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是帶寬較窄。為了拓展該結(jié)構(gòu)的帶寬，文獻(xiàn)［11］提出了一種新型的UC-EBG結(jié)構(gòu)，但是該結(jié)構(gòu)不具備損耗特性，只能夠抑制表面波的傳播，而不能吸收入射的電磁波。

本文結(jié)合以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過在新型UC-EBG結(jié)構(gòu)貼片之間加載集總電阻，設(shè)計(jì)出一種新型吸波結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠有效吸收入射的電磁波，且由于沒有金屬過孔，制作工藝更為簡(jiǎn)單。將其應(yīng)用于微帶天線，以減縮天線的帶內(nèi)RCS。仿真結(jié)果表明，該吸波結(jié)構(gòu)的吸波率達(dá)到了99.8%，加載該結(jié)構(gòu)后，微帶天線的輻射性能保持不變。對(duì)于TE極化和TM極化垂直入射波，天線的RCS分別減縮了26.22 dB和15.08 dB。實(shí)物測(cè)量和仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。

2 基于新型UC-EBG的吸波材料設(shè)計(jì)

Yang等人提出的UC-EBG單元由四邊形貼片和4條連接相鄰單元的金屬導(dǎo)帶組成，如圖1（a）所示。相鄰貼片單元之間形成等效電容C，連接相鄰單元的金屬導(dǎo)帶形成等效電感L。該結(jié)構(gòu)可以等效成LC諧振電路，在諧振頻帶內(nèi)形成頻率帶隙。其諧振頻率ω0和相對(duì)帶寬BW可以表示為［12－13］

由式（1）和式（2）可得，為了拓寬結(jié)構(gòu)的帶隙而保持中心頻率基本不變，則可以增加等效電感L，同時(shí)減小等效電容C。

文獻(xiàn)［11］給出了一種新型的UC-EBG結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)增加了金屬導(dǎo)帶的長度，提高了等效電感L；同時(shí)減小了形成等效電容的相鄰貼片的長度，降低了等效電容C，在諧振頻率保持基本不變的情況下實(shí)現(xiàn)了帶寬的提高。該結(jié)構(gòu)制作工藝簡(jiǎn)單，便于實(shí)際應(yīng)用。但是由于不具有損耗特性，該結(jié)構(gòu)只能抑制表面波傳播，不能吸收入射的電磁波。

圖1 結(jié)構(gòu)單元圖Fig.1 Unit map of structure

本文采用新型UC-EBG結(jié)構(gòu)加載集總電阻設(shè)計(jì)吸波結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能有效吸收入射電磁波，同時(shí)沒有金屬過孔，制作工藝簡(jiǎn)單。該吸波結(jié)構(gòu)由上層金屬片、底層金屬板以及中間介質(zhì)層3層組成。其中金屬部分為銅，電導(dǎo)率σ＝5.8×107s／m；介質(zhì)板為聚四氟乙烯玻璃布板，介電常數(shù)εr＝2.65。用基于有限元法的HFSS軟件，通過設(shè)置主從邊界條件和Floquet激勵(lì)端口，模擬無限周期結(jié)構(gòu)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：a＝13 mm，b＝8.14 mm，c＝0.45 mm，d＝1.1 mm，e＝0.6 mm，h＝1 mm，R＝4 700Ω。

圖2 新型吸波結(jié)構(gòu)單元Fig.2 Unit map of the novel absorber

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit

根據(jù)傳輸線理論，該吸波結(jié)構(gòu)可以等效成圖3所示的電路。用Y和Z表示該結(jié)構(gòu)的阻抗和導(dǎo)納，則

式中，ω為入射波的角頻率，R為集總電阻形成的損耗電阻，L是由相鄰單元之間的金屬導(dǎo)帶形成的等效電感，C是有相鄰單元之間的間隙形成的等效電容。則

設(shè)自由空間的波阻抗為η0，對(duì)于垂直入射的電磁波，其反射系數(shù)為

由公式（5）可得，設(shè)計(jì)吸波結(jié)構(gòu)時(shí)，在諧振頻點(diǎn)盡可能使Z接近于η0，可以使反射率R1趨向于零，從而達(dá)到高吸收率的效果。

定義反射率K＝S112，透射率T＝S212，則吸波率A＝1－S112－S212＝1－K－T。由于圖2中結(jié)構(gòu)為金屬底板，故沒有透射，即S212＝0，則A＝1－S112＝1－K。

圖4表示在TE極化和TM極化平面波垂直照射下該新型吸波結(jié)構(gòu)的吸波率。由圖可得，在兩種極化方式下，吸波結(jié)構(gòu)的諧振頻率略有偏差，但其吸波率都達(dá)到了99.8%，說明該吸波結(jié)構(gòu)對(duì)于不同的極化方式具有良好的吸波性能。

圖4 新型吸波結(jié)構(gòu)吸波率Fig.4 Absorptivity of the novel absorber

3 加載新型吸波材料的微帶天線

微帶天線的散射主要包括結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射和模式項(xiàng)散射，加載吸波結(jié)構(gòu)主要減小微帶天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射。為了減小天線的厚度，降低吸波材料對(duì)天線輻射性能的影響，微帶天線和吸波結(jié)構(gòu)共用相同的介質(zhì)層。將吸波結(jié)構(gòu)加載在天線輻射貼片四周，并與其保持一定的距離。在保證天線正常輻射的情況下，有效吸收入射的電磁波，以縮減天線帶內(nèi)RCS。

微帶天線貼片的尺寸為20 mm×16.8 mm，介質(zhì)板的尺寸為91 mm×91 mm，天線的饋電點(diǎn)距離貼片中心3 mm，介質(zhì)板的材料為聚四氟乙烯玻璃布板，介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm，吸波材料結(jié)構(gòu)尺寸與上節(jié)相同，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。

圖5給出了加載新型吸波材料前后微帶天線輻射性能的仿真結(jié)果。由圖可得，加載吸波材料后，天線的反射系數(shù)基本不變；其增益提高了0.4 dB，輻射性能基本保持不變。

圖5 天線仿真結(jié)果Fig.5 Simulated results of antenna

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，加工了實(shí)物并對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量。圖6為加工實(shí)物圖。圖7（a）是用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到的S11曲線，由結(jié)果可得，加載吸波材料后天線的反射系數(shù)與仿真結(jié)果相比基本相同，但諧振頻率略有提高。圖7（b）、（c）為天線的實(shí)測(cè)方向圖。和仿真相比，實(shí)測(cè)天線的方向圖后瓣增加，但整體趨勢(shì)保持不變。分析認(rèn)為，測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果的差異主要由制造誤差和測(cè)試環(huán)境造成的。

圖6 實(shí)物圖Fig.6 Picture of antenna with absorber

圖7 天線實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Measured results of antenna

4 天線的RCS減縮

圖8給出了在TE極化波和TM極化波垂直入射情況下，天線單站RCS的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，加載了吸波材料后，在5.0～5.4 GHz范圍內(nèi)，其RCS得到顯著減縮。圖8（a）為TE極化波垂直入射的單站RCS，在5.18 GHz處，RCS從－6.54 dB降到－32.76 dB，減縮了26.22 dB；圖8（b）為TM極化波垂直入射的單站RCS，在5.17 GHz處，RCS從－5.45 dB降到－20.53 dB，減縮了15.08 dB。由以上結(jié)果得出，在工作頻帶內(nèi)，微帶天線RCS得到了有效減縮。

圖8 單站RCSFig.8 Monostatic RCS of antenna

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于UC-EBG的吸波結(jié)構(gòu)，研究了其吸波機(jī)理，并將該結(jié)構(gòu)加載到微帶天線用于減縮天線帶內(nèi)RCS。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該吸波結(jié)構(gòu)的吸波率達(dá)到了99.8%，實(shí)現(xiàn)了高吸波率；加載吸波結(jié)構(gòu)對(duì)天線的輻射性能影響不大，而天線的帶內(nèi)RCS得到了有效減縮。本文對(duì)微帶天線的隱身研究具有一定的借鑒意義，但同時(shí)也看到，本文設(shè)計(jì)吸波材料的帶寬還不夠?qū)?，為了?shí)現(xiàn)對(duì)寬帶甚至超寬帶天線的帶內(nèi)RCS減縮，對(duì)其吸波帶寬進(jìn)行拓展將是未來工作的重點(diǎn)。

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ZHANG Hao was born in Huangshan，Anhui Province，in 1990.He received the B.S.degree from Air Force Engineering University in 2011.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

Email：mike303200716008＠163.com

曹祥玉（1964—），女，河南南陽人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€與電磁兼容、電磁超材料、計(jì)算電磁學(xué)等；

CAO Xiang-yu was born in Nanyang，Henan Province，in 1964.She is now a professor and also the Ph.D.supervisor.Her research concerns antenna and electromagnetic compatibility，electromagentic metamaterials，and computational electromagnetics.

楊歡歡（1989—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)、人工電磁材料等；

YANG Huan-huan was born in Zhumadian，Henan Province，in 1989.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

趙一（1988—），男，河南開封人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)、人工電磁材料等；

ZHAO Yi was born in Kaifeng，Henan Province，in 1988.He is now a graduate student.His research concerns antenna design and metamaterial.

鄭秋容（1973—），男，福建仙游人，副教授，主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)、人工電磁材料等。

ZHENG Qiu-rong was born in Xianyou，F(xiàn)ujian Province，in 1973.He is now an associate professor.His research concerns antenna design and metamaterial.

Design of an Absorber Based on UC-EBG and its Application in Microstrip Antenna

ZHANG Hao，CAO Xiang-yu，YANG Huan-huan，ZHAO Yi，ZHENG Qiu-rong
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

A novel absorber is proposed based on Uniplanar Compact Electromagnetic Bandgap（UC-EBG）with lumped resistance，and its operating mechanism is analyzed.The new absorber is loaded on microstrip antenna to reduce antenna′s in-band Radar Cross Section（RCS）.The simulated result shows that its absorptivity reaches 99.8%at operating frequency.The loaded antenna′s radiation performance has not been influenced a lot，while for the incident wave of TE and TM mode，the in-band RCS of antenna has declined by 26.22 dB and 15.08 dB respectively.There is a good agreement between measured and simulated results，which verifies that this absorber can be used for reduction of antenna′s in-band RCS so as to improve its in-band stealth performance. Key words：microstrip antenna；absorber；UC-EBG；in-band stealth；RCS reduction

The National Natural Science Foundation of China（No.61271100）；The Natural Science Foundation Key Project of Shaanxi Province（2010JZ010）；The Natural Science Foundation Reasearch Project of Shaanxi Province（2012JM8003）

date：2013－01－05；Revised date：2013－04－03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61271100）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2010JZ010）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2012JM8003）

??通訊作者：mike303200716008＠163.comCorresponding author：mike303200716008＠163.com

TN82

A

1001－893X（2013）07－0944－05

張浩（1990—），男，安徽黃山人，2011年于空軍工程大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)、人工電磁材料等；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.023

2013－01－05；

2013－04－03