用于宽带RCS减缩的电磁超表面研究

发布时间：2020-11-07 15:46

　　 在现代战争中,军事设备的隐身性能是衡量武器装备性能的重要指标之一。在复杂的电磁环境中,优越的隐身性能可以使己方设备的存活率得到有效提升,从而充分保证己方战斗力。雷达天线作为飞机、导弹和舰艇等常规作战武器的“眼睛”,是发送和接收信息的重要设备,其辐射特性需要满足作战要求,同时,在敌方雷达的侦察下,它也是整个武器雷达截面(Radar Cross Section,RCS)最主要的贡献源,因此对其散射特性也有着很高的要求。正是在这样的应用需求下,本文对天线在工作状态时,如何在不影响正常辐射性能,甚至提升天线辐射性能的条件下,实现带内和带外的RCS减缩的方法进行研究。本文的工作主要包括以下几个方面:第一,研究了人工磁导体表面(Artificial Magnetic Conductor,AMC)在微带天线RCS减缩中的应用。AMC包含了三种不同的人工磁导体单元,通过将三个单元两两对应周期排布在六边形结构中,然后沿六边形结构的每条边向外进行周期延拓构成。不同单元组成的阵列在不同的频段有理想反射相位差,这样各自产生的反射波便具有相等的幅度和180~°的相位差。根据相位相消的原理,主方向上的能量便被散射到其他方向。为了考察AMC对天线辐射性能的影响,将AMC加载在微带天线介质基板的上表面,并与未加载AMC的参考天线相比较。最终,仿真和实测结果均表明,加载AMC对天线的阻抗匹配特性和辐射特性影响甚微。对比两者的散射特性可以得到,在x极化和y极化入射电磁波的垂直照射下,设计天线在宽带内得到了良好的RCS减缩效果,覆盖了微带天线工作频段的带内和带外。第二,研究了极化转换表面在低剖面高增益偶极子天线的应用。将极化转换单元周期性排布组成6×6的阵列结构,作为偶极子天线的反射板。由于极化转换表面反射波90~°相位旋转的特性,避免了当PEC作为反射板时λ/4的厚度要求,使得天线剖面得到降低。同时,靠近偶极子天线单元的超表面结构表面的感应电流增大了天线口径,使得天线增益得到提高。第三,研究了极化转换表面在实现辐射波极化转换的应用。通过将极化转换表面用作偶极子天线反射板,利用天线辐射波和反射波具有幅度相等,相位相差90~°的特点,两者叠加形成圆极化波。也就是说,极化转换表面的加载实现了偶极子天线单元辐射波从线极化到圆极化的转换。第四,研究了极化转换表面在阵列天线宽带内RCS减缩的应用。将极化转换单元阵列和其镜像单元阵列棋盘型分布在同一平面中,作为偶极子阵列天线的反射板,并与未加载超表面的参考天线进行对比。最终仿真和测试结果表明,参考天线和设计天线的阻抗匹配特性和辐射方向图都基本一致。对比两者的散射特性可以得到,设计天线在包含阵列天线工作频段的宽频段内RCS减缩效果良好。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441;E92
【部分图文】：

（b）一单元旋转组成的 AMC 结构[3]图1.1 不同结构的人工磁导体表面但是，由于 AMC 结构本身的同相反射带宽有限，这便限制了 RCS 减缩带宽。为了拓展带宽，文献[2]采用同一单元不同尺寸排布的方法，孙厚军等人设计了两个大小不等的十字架结构，对其进行棋盘式分布，在 12GHz-24GHz（相对带宽达到 67%）实现了 5dB 以上的 RCS 减缩。文献[3]采用了同一单元不同朝向分布的方法，高军等人便利用开口环的不同朝向进行周期分布，在 7.15GHz-10.05GHz（相对带宽为 17%）范围内使得 RCS 减小了 10dB。文献[4]采用了两种不同单元分布的方法

（b）四频段结构型吸波体[12]图1.2 不同形式吸波结构单元为了实现吸波材料的低剖面、宽频带或多频带等特性，学者们进行了大量的研究。文献[10]提出了基于频率选择表面和电阻元件加载的吸波结构，分别设计了频带覆盖2.2GHz-9.4GHz 和 4.5GHz-17GHz 的吸波材料。文献[12]提出了一种结构型吸波表面，将单元旋转排布组成吸波表面，在 5.76GHz、6.64GHz、10.8GHz 以及 12.8GHz 四个频段实现了 90%以上的吸波率（AbsorbingRate，AR）。但是，在实际的应用中，现有吸波材料仍然存在频带不够宽，吸波率不高的问题。1.2.3 频率选择表面频率选择表面（FrequencySelectedSurface

（b）鱼骨形极化转换单元[17]图1.3 不同结构的极化转换单元2010 年，Keum Cheol Hwang 等人提出一种弯折线型的极化转换结构，在 14.7GHz-18.0GHz（相对带宽为 20%）的频带内实现了 90%以上的极化转换[15]。崔铁军教授等人通过一对 V 型结构的极化转换单元，在 77%的相对带宽内实现了 90%以上的极化转换率[16]。刘英教授课题组将仿生学应用在单元的结构设计中，得到了一种类似鱼骨形的极化转换单元，在 104%的相对带宽内实现了 50%以上的极化转换率[17]。另外，该课题组还设计了一种在介质基板上加两个金属通孔的结构，得到了一种高效的极化转换表面
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本文编号：2874151