跨譜域低可探測的電磁超構(gòu)表面天線 *

鄭月軍，陳 強(qiáng)，丁 亮，肖 科，鐘 赟，張貴生

(1. 國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410073； 2. 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410073；3. 中國人民解放軍94040部隊(duì)， 新疆 庫爾勒 841000； 4. 空軍工程大學(xué) 裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院， 陜西 西安 710051)

天線作為低可探測飛行器上的開放電磁窗口，其低可探測性能成為制約飛行器整體低可探測性能提升的瓶頸。天線低可探測的關(guān)鍵是既要保證電磁波的正常輻射和接收，同時(shí)又要盡量減小對(duì)入射波的反射，這實(shí)際上是很難解決的。電磁超構(gòu)表面(MetaSurface, MS)是一種影響電磁波傳播特性的超薄界面，一般由可任意調(diào)控電磁波幅度、相位和極化的周期或非周期人工結(jié)構(gòu)組成[1-5]。隨著電磁超構(gòu)表面的不斷發(fā)展，電磁超構(gòu)表面種類越來越豐富，調(diào)控電磁波的功能越來越多樣化[6]。電磁超構(gòu)表面為減縮天線雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section, RCS)提供了新的技術(shù)途徑。

利用電磁超構(gòu)表面減縮天線RCS的方式主要有兩種：一是利用吸波型電磁超構(gòu)表面的吸波特性[7]，將電磁能量轉(zhuǎn)換成其他形式的能量而耗散掉；二是利用反射型電磁超構(gòu)表面的同相反射特性[8]或者極化旋轉(zhuǎn)特性[9]，通過相位對(duì)消布陣將威脅空域的雷達(dá)波散射到其他空域。曹祥玉教授課題組提出了一種交叉縫隙超薄完美吸波體(Perfect Metamaterial Absorber, PMA)并將其應(yīng)用于波導(dǎo)縫隙天線，在天線輻射性能基本不受影響的情況下實(shí)現(xiàn)了帶內(nèi)RCS減縮[10]。然而，上述設(shè)計(jì)需要通過額外增加吸波型電磁超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)天線低可探測，并且電磁超構(gòu)表面與天線分立設(shè)計(jì)，兩者相互影響，具有不確定性，天線輻射性能或多或少會(huì)受到影響，因此加載吸波型電磁超構(gòu)表面的方法在有效解決天線輻射和低可探測矛盾方面仍面臨挑戰(zhàn)。并且，目前在天線低可探測方面主要關(guān)注微波頻段的低可探測，對(duì)于其紅外低可探測研究較少。要想實(shí)現(xiàn)微波與紅外的兼容低可探測，根據(jù)探測原理，需要電磁超構(gòu)表面具有對(duì)微波頻段的探測波高吸收、低反射同時(shí)對(duì)紅外波段的探測波低吸收、高反射的特性[11-12]。顯然，二者對(duì)電磁超構(gòu)表面的電磁特性要求相互制約，微波與紅外兼容低可探測成為制約天線低可探測性能提升的難點(diǎn)之一。

本文針對(duì)上述難題，提出將電磁超構(gòu)表面設(shè)計(jì)思想融入天線設(shè)計(jì)中，在天線正常輻射下，使其具有電磁超構(gòu)表面的吸波特性。這樣不用額外加載吸波型電磁超構(gòu)表面，僅利用天線自身結(jié)構(gòu)的吸波特性，就能減縮天線RCS。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)紅外低可探測問題，設(shè)計(jì)了一種在微波頻段具有高透射特性而在紅外頻段具有高反射(即低發(fā)射率)的電磁超構(gòu)表面，并加載到天線輻射方向上方，利用其微波頻段高透射特性，保證天線正常輻射和吸波，實(shí)現(xiàn)天線的微波低可探測，同時(shí)利用其紅外頻段高反射特性，使天線具有低紅外輻射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)天線的紅外低可探測。

1 兼具輻射與微波低可探測的天線設(shè)計(jì)

根據(jù)將電磁超構(gòu)表面融入天線設(shè)計(jì)的思想，天線與電磁超構(gòu)表面共用一個(gè)結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)選擇相似度高的結(jié)構(gòu)。除了饋電結(jié)構(gòu)，貼片天線與貼片形式的電磁超構(gòu)表面在結(jié)構(gòu)上高度相似，因此以貼片天線作為研究對(duì)象。圖1給出了所設(shè)計(jì)的貼片天線結(jié)構(gòu)，由于在x和y軸方向均存在饋電結(jié)構(gòu)，為了便于后續(xù)的行文描述，定義沿x和y軸方向的饋電端口分別為端口1和端口2，采用聚四氟乙烯作為天線介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)εr=3.0，損耗角正切tanδ=0.002。利用貼片天線經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式，設(shè)計(jì)工作頻率f=2.8 GHz的天線結(jié)構(gòu)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后參數(shù)如表1所示。

圖1 設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic geometry of the designed antenna

表1 優(yōu)化后天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)激勵(lì)源的不同，采用不同的邊界。首先，在輻射邊界和集總端口激勵(lì)下，分析了電磁超構(gòu)表面的輻射特性[13-14]。圖2給出了天線饋電端口1和端口2的反射系數(shù)模值|S11|和|S22|以及端口1到端口2的傳輸系數(shù)模值|S21|。天線兩個(gè)端口的反射系數(shù)模值曲線完全重合，均具有良好的阻抗匹配，在2.77～2.88 GHz頻率范圍內(nèi)|S11|和|S22|均小于-10 dB，并在2.82 GHz產(chǎn)生諧振。從端口1到端口2的傳輸系數(shù)模值曲線可以看出，在天線工作頻率范圍內(nèi)，|S21|均小于-27.9 dB，這說明兩個(gè)端口之間隔離較好，即當(dāng)端口1接饋電，端口2接匹配負(fù)載時(shí)，端口1傳輸?shù)蕉丝?能量非常小，大部分能量被輻射而不是被端口2吸收。因此，以端口1饋電、端口2接匹配負(fù)載為例，觀察了天線在諧振頻點(diǎn)2.82 GHz的2D輻射方向圖，如圖3所示，天線朝前向輻射，最大增益達(dá)到6.66 dBi，天線最大交叉極化電平比主極化電平低了29.30 dB，由此可知所設(shè)計(jì)的天線具有較好的輻射性能。

圖2 天線的|S11|、|S22|和|S21|Fig.2 |S11|，|S22| and |S21| of the antenna

圖3 天線在2.82 GHz的輻射方向圖Fig.3 Radiation patterns of the antenna at 2.82 GHz

在周期邊界和Floquet端口激勵(lì)下研究了天線的反射特性[13-14]，此時(shí)天線兩個(gè)端口均接匹配負(fù)載。圖4給出了天線反射幅度和吸波率，從圖4可以看出，在x和y兩種極化波照射下，天線反射幅度曲線幾乎重合，且均有所減小，在2.76～2.89 GHz頻率范圍內(nèi)反射幅度均小于-10 dB，根據(jù)吸波率計(jì)算公式

(1)

可知吸波率均在90%以上，最小反射幅度為-18.42 dB，天線的吸波頻帶包含其輻射時(shí)的工作頻帶，這說明天線具有較好的吸波效果。天線反射相位如圖5所示，x和y兩種極化下的反射相位曲線也幾乎重合，在2.81 GHz處過零點(diǎn)，這說明天線還具有同相反射特性。由上述結(jié)果可知，在工作頻帶范圍內(nèi)，對(duì)x和y極化入射波均具有較好的吸波特性，即在微波頻段具有良好的低可探測效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其低可探測效果，研究了天線的RCS，如圖6所示，從圖中可看出，在天線工作頻帶內(nèi)，RCS有明顯的降低，天線具有較好的低可探測性能。

圖4 天線的反射幅度和吸波率Fig.4 Reflection magnitude and absorptivity of the antenna

圖5 天線的反射相位Fig.5 Reflection phase of the antenna

圖6 天線的RCSFig.6 RCS of the antenna

2 天線的紅外低可探測設(shè)計(jì)與性能分析

紅外低可探測主要是降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度，使其與背景環(huán)境相似，從而達(dá)到低可探測效果。由史提芬-玻爾茲曼定律可得被探測目標(biāo)紅外輻射能量[15]為：

E0=σεT4

(2)

式中，σ為史提芬-玻爾茲曼常數(shù)，ε為目標(biāo)的發(fā)射率，T為目標(biāo)的絕對(duì)溫度。由式(2)可知，在溫度一定時(shí)，紅外低可探測要求目標(biāo)具有低發(fā)射率，從而降低目標(biāo)的輻射強(qiáng)度。根據(jù)基爾霍夫定律可知，在任意T和波長λ下，不透明熱平衡物體的發(fā)射率等于其吸波率α，即吸波率越少，則發(fā)射率越低。很顯然，純金屬平板是電磁波的良反射體，其對(duì)紅外線幾乎是沒有吸收的，所以是良好的紅外低可探測材料。

基于第1節(jié)設(shè)計(jì)的天線，在微波段具有較好的吸波效果，可知其具有很高的紅外發(fā)射率。為了降低天線的紅外發(fā)射率，可在天線上方加載一層低發(fā)射率的材料，雖然純金屬平板是良好的紅外低可探測材料，但其在微波頻段幾乎沒有任何低可探測效果，且會(huì)對(duì)天線輻射性能產(chǎn)生巨大影響。針對(duì)上述問題，本文提出在天線上方加載一層微波頻段高透射、紅外頻段低發(fā)射率的電磁超構(gòu)表面。受純金屬平板是良好的紅外低可探測材料啟發(fā)，電磁超構(gòu)表面要具有低發(fā)射率，即要電磁超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)擁有盡可能多的金屬成分，因此選擇貼片結(jié)構(gòu)作為電磁超構(gòu)表面單元結(jié)構(gòu)，而貼片結(jié)構(gòu)又具有低頻透射、高頻反射特性，由此可知，貼片形式電磁超構(gòu)表面設(shè)計(jì)是解決天線紅外低可探測問題的關(guān)鍵。

2.1 電磁超構(gòu)表面設(shè)計(jì)

根據(jù)紅外物理特性，電磁超構(gòu)表面紅外發(fā)射率可表示為[16-18]：

ε=M/Mb

(3)

其中，M為電磁超構(gòu)表面輻射的出射度，Mb為黑體輻射的出射度，其可表示為：

M=?P/?A

(4)

其中，P為輻射功率，A為物體面積。

實(shí)際中電磁超構(gòu)表面是以某種介質(zhì)作為支撐板，因此電磁超構(gòu)表面的輻射功率可表示為：

P=Pc/Pd

(5)

其中，Pc為電磁超構(gòu)表面金屬部分的輻射功率，Pd為電磁超構(gòu)表面介質(zhì)部分的輻射功率。

聯(lián)合式(3)～(4)可得電磁超構(gòu)表面發(fā)射率為

εms=εcsc+εd(1-sc)

(6)

式中εc和εd分別為電磁超構(gòu)表面中金屬以及介質(zhì)的發(fā)射率；sc則為金屬面積在整個(gè)電磁超構(gòu)表面整個(gè)面積中所占的比例。

由式(6)可知，電磁超構(gòu)表面的發(fā)射率與金屬及介質(zhì)的發(fā)射率相關(guān)，并且受限于金屬在電磁超構(gòu)表面中的占空比。而在溫度一定的情況下，金屬以及介質(zhì)的發(fā)射率是常數(shù)，因此可以通過對(duì)金屬在電磁超構(gòu)表面中填充率的調(diào)整，改善電磁超構(gòu)表面整體的發(fā)射率，進(jìn)而改善天線的發(fā)射率。綜合考量電磁超構(gòu)表面的微波透波特性以及紅外低發(fā)射特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)金屬在電磁超構(gòu)表面中的填充率，實(shí)現(xiàn)電磁超構(gòu)表面設(shè)計(jì)。

圖7給出了所設(shè)計(jì)貼片形式的電磁超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，采用聚四氟乙烯作為介質(zhì)材料，εr=3.0，tanδ=0.002。對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，參數(shù)pms、t1、L1優(yōu)化后的值分別為2.0 mm、0.125 mm、1.8 mm。

圖7 電磁超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic geometry of the metasurface

電磁超構(gòu)表面在微波頻段的電磁性能，如圖8所示，電磁超構(gòu)表面的透射系數(shù)模值接近于1，反射系數(shù)模值均在0.2以下，在天線的工作頻段，電磁超構(gòu)表面的透射系數(shù)模值均在0.984以上，具有很好的透射特性。由文獻(xiàn)[15-16]可知，聚四氟乙烯覆銅板的聚四氟乙烯塑料發(fā)射率一般為0.9，金屬銅的發(fā)射率一般為0.05，由式(6)計(jì)算可得電磁超構(gòu)表面發(fā)射率為0.212。由上述分析可知，電磁超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了微波高透射特性以及紅外低發(fā)射特性。

圖8 電磁超構(gòu)表面的|S11|、|S22|和|S21|Fig.8 |S11|、|S22| and |S21| of the metasurface

2.2 加載電磁超構(gòu)表面的天線設(shè)計(jì)與性能分析

將設(shè)計(jì)的電磁超構(gòu)表面加載到天線上方，如圖9所示，電磁超構(gòu)表面下表面距天線上表面的高度為h，優(yōu)化后h=1.5 mm。研究了加載電磁超構(gòu)表面對(duì)天線輻射和反射特性的影響。

圖9 加載MS后天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic geometry of the antenna with MS

首先，在輻射邊界和集總端口激勵(lì)下，分析了電磁超構(gòu)表面的輻射特性。天線兩個(gè)端口的反射系數(shù)模值和端口與端口間的傳輸系數(shù)模值如圖10所示，天線兩個(gè)端口的反射系數(shù)模值曲線完全重合，均具有良好的阻抗匹配，在2.77 GHz產(chǎn)生諧振，并在2.72～2.82 GHz頻率范圍內(nèi)|S11|和|S22|均小于-10 dB，與未加載電磁超構(gòu)表面的天線相比，天線工作頻帶略向低頻偏移，諧振頻率向低頻偏移0.05 GHz。從端口1到端口2的傳輸系數(shù)模值曲線可以看出，在天線工作頻率范圍內(nèi)，|S21|均小于-27.8 dB，這說明兩個(gè)端口之間隔離較好。進(jìn)一步以端口1饋電、端口2接匹配負(fù)載為例，觀察了天線在諧振頻點(diǎn)2.77 GHz的2D輻射方向圖，如圖11所示，天線朝前向輻射，最大增益達(dá)到6.72 dBi，與未加載電磁超構(gòu)表面的天線相比，增益略有提高(0.06 dB)，天線最大交叉極化電平比主極化電平低了28.51 dB，這說明天線具有較好的輻射性能。由上述分析可知，加載超構(gòu)表面后，對(duì)天線輻射性能基本沒有影響。

圖10 加載MS后天線的|S11|、|S22|和|S21|Fig.10 |S11|，|S22| and |S21| of the antenna with MS

圖11 加載MS后天線在2.77 GHz的輻射方向圖Fig.11 Radiation patterns of the antenna with MS at 2.77 GHz

在周期邊界和Floquet端口激勵(lì)下研究了加載電磁超構(gòu)表面后天線的反射特性，此時(shí)天線兩個(gè)端口均接匹配負(fù)載。天線的反射幅度和吸波率曲線如圖12所示，在x和y兩種極化波照射下，天線反射幅度曲線幾乎重合，且均有所減小，在2.70～2.80 GHz頻率范圍內(nèi)反射幅度均小于-10 dB，最小反射幅度為-12.49 dB，這說明天線仍具有較好的吸波效果。與未加載電磁超構(gòu)表面的天線相比，天線的吸波頻帶向低頻偏移0.06 GHz，基本包含其輻射時(shí)的工作頻帶，最小反射幅度提升了5.93 dB。天線反射相位如圖13所示，x和y兩種極化下的反射相位曲線也幾乎重合，在2.72 GHz處過零點(diǎn)，這說明天線仍具有同相反射特性。由上述結(jié)果可知，加載電磁超構(gòu)表面后，天線吸波特性雖略有惡化，但仍保持較好，即在微波頻段仍具有良好的低可探測效果。天線的RCS，如圖14所示，從圖中可看出，在天線工作頻帶內(nèi)，RCS有明顯的降低，天線具有較好的低可探測性能，同樣也觀察到了天線RCS減縮帶寬向低頻偏移，加載電磁超構(gòu)表面對(duì)天線微波低可探測性能影響很小。

圖12 加載MS后天線的反射幅度和吸波率Fig.12 Reflection magnitude and absorptivity of the antenna with MS

圖13 加載MS后天線的反射相位Fig.13 Reflection phase of the antenna with MS

圖14 加載MS后的天線RCSFig.14 RCS of the antenna with MS

由式(6)計(jì)算未加載電磁超構(gòu)表面天線的發(fā)射率為0.546，而加載電磁超構(gòu)表面后天線的發(fā)射率為0.212，加載電磁超構(gòu)表面后天線的發(fā)射率降低了0.334，即61.2%。由上述結(jié)果可知，加載電磁超構(gòu)表面后，在保持正常輻射下，天線較好地實(shí)現(xiàn)了微波與紅外的兼容低可探測。

3 結(jié)論

本文針對(duì)低可探測飛行器平臺(tái)對(duì)天線的新需求，設(shè)計(jì)了一種微波/紅外低可探測的電磁超構(gòu)表面天線。提出將電磁超構(gòu)表面設(shè)計(jì)思想融入天線設(shè)計(jì)中，在天線正常輻射下，使其具有電磁超構(gòu)表面的吸波特性，這樣不用額外加載吸波型電磁超構(gòu)表面，僅利用天線自身結(jié)構(gòu)的吸波特性，就能實(shí)現(xiàn)天線微波低可探測。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種微波頻段高透射、紅外頻段低發(fā)射率的電磁超構(gòu)表面，將其加載到天線降低了天線的發(fā)射率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的天線在保持正常輻射下，較好地實(shí)現(xiàn)了微波與紅外的低可探測，該設(shè)計(jì)方法為提升天線低可探測性能提供了新的思路。