一種寬帶雙屏頻率選擇表面微帶天線的設(shè)計(jì)與制備

一種寬帶雙屏頻率選擇表面微帶天線的設(shè)計(jì)與制備

1微帶天線的減縮機(jī)理微帶天線具有低橫截面、輕質(zhì)量、容易形成的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)平臺(tái)。然而，微帶天線的損失大，接收低，因此很容易被雷達(dá)探測(cè)。為了解決這些問題，許多科學(xué)家進(jìn)行了有效的研究。利用微帶天然雜成層結(jié)構(gòu)、多個(gè)介質(zhì)、人工磁體（amc）和篩選表面，可以提高微帶天然雜成現(xiàn)象。改變天線的形狀，采用吸收波材料（ram）、人工磁體和選擇性色散表面，以減少微帶的tcs。從現(xiàn)有的研究來看，頻率選擇表面是一個(gè)很好的選擇，同時(shí)可以改善微帶的天然雜成和減少隨地?cái)?shù)據(jù)的隨地性。頻率選擇表面是對(duì)電磁波具有帶通或帶阻特性的空間濾波器,是一種一維或二維周期陣列結(jié)構(gòu),其頻響特性受頻率、入射角、極化方式等因素的影響.FSS覆層是FSS應(yīng)用于天線的主要形式之一,保護(hù)天線的同時(shí)改善天線的性能,比如提高天線的增益、減縮天線RCS、擴(kuò)寬天線頻帶、控制天線波束、旋轉(zhuǎn)極化方式等.文獻(xiàn)通過加載雙FSS覆層實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頻天線的輻射性能改善,但是雙覆層結(jié)構(gòu)增加了天線剖面高度;文獻(xiàn)通過加載分形樹結(jié)構(gòu)的具有部分反射特性的FSS覆層,同時(shí)改善天線輻射和散射性能,但其輻射和散射性能只在8—11GHz范圍有較明顯改善;文獻(xiàn)將電諧振器結(jié)構(gòu)與電阻膜復(fù)合,設(shè)計(jì)了一種超薄、寬頻帶、極化不敏感和寬入射角的超材料吸波體;文獻(xiàn)通過利用帶阻型耶路撒冷十字FSS的反射損耗,設(shè)計(jì)了一種吸波體.但是將吸波電阻和FSS復(fù)合,以覆層的形式應(yīng)用于天線,同時(shí)改善其輻射和散射性能的報(bào)道卻鮮有見到.因此,本文進(jìn)行了這方面的研究.本文將FSS部分反射特性和電阻的吸波特性結(jié)合,綜合考慮輻射性能和散射性能改善,設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)、高性能的FSS覆層,將其置于原始微帶天線輻射方向前方,如圖1(b)所示;構(gòu)成一種新型微帶天線,分析了其輻射增強(qiáng)和RCS減縮機(jī)理;仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明:該天線兼具寬帶的3dB增益帶寬和寬帶、寬角度的低RCS特性.2輻射波的反射特性及誤差分析FSS單元結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,其上下兩層結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱性.上層是由四邊中間處都開有缺口的金屬環(huán)和缺口處焊接的四個(gè)130?電阻組成的吸波層,環(huán)的外邊長L1=8mm,環(huán)寬w2=1mm,缺口長w1=1mm;中間層是FR4介質(zhì)層,介電常數(shù)εr=4.4,電損耗正切tanδ=0.002,高度t=3.5mm;下層是由開有縫隙的金屬貼片形成的反射層,中心十字縫隙和邊緣縫隙長度相同,L2=6.8mm,十字縫隙寬w3=0.14mm,四邊縫隙寬w4=0.1mm.這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(對(duì)稱結(jié)構(gòu)),可使FSS覆層對(duì)于任意極化和不同角度的電磁波都具有較好的穩(wěn)定性.將吸波層和反射層結(jié)合是設(shè)計(jì)該FSS覆層的關(guān)鍵.對(duì)于反射層設(shè)計(jì),根據(jù)射線理論和FabryPerot諧振腔模型,FSS覆層的反射層和微帶天線地板構(gòu)成諧振腔,天線輻射的電磁波在腔內(nèi)多次反射,傳播距離變長,其中直接透射和多次反射后透射的電磁波的總相位差包含路徑上的相位延遲和接地板的反射系數(shù)相位以及反射層的反射系數(shù)相位.根據(jù)圖1(b)中的幾何關(guān)系:其中d1為射線1和射線0透射后的路徑差,d2為射線1被反射層反射后到天線地板的路徑,h為反射層距天線地板高度,θ角如圖1(b)所示.射線1與射線0總相位差為射線2與射線0的總相位差為射線n與射線0的總相位差為其中λ為天線輻射波的波長,Φr是覆層的反射相位,Φd是天線地板的反射相位.最終透過FSS覆層向外輻射電磁波的功率為當(dāng)時(shí),即微帶天線輻射的電磁波同相疊加,輻射增強(qiáng).其最大前向功率(θ=0)為天線的前向增益為天線的半功率波瓣寬度為其中F(θ)為θ方向的場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù),R為反射幅度模值.根據(jù)(8)和(9)式,天線前向增益與R成正比,半功率波瓣寬度與R成反比,R越大,天線增益越高,定向性越強(qiáng),因此要求反射層具有較強(qiáng)反射特性.利用HFSS軟件仿真建模.當(dāng)天線輻射電磁波時(shí)(方向從-z到z),FSS覆層反射層的頻響曲線如圖2所示.縫隙和金屬環(huán)產(chǎn)生的諧振頻率為11.41GHz,在11.21—11.54GHz范圍內(nèi),反射相位斜率為正,相位從167?增加到172?,幅度模值都在0.86以上,內(nèi)插的傳輸系數(shù)(S21)曲線在天線工作頻帶內(nèi)急劇增大,因此反射層具有較強(qiáng)反射特性.從圖中也可知,縫隙之間的諧振在12.75GHz處.對(duì)于x極化和y極化的入射波,仿真得到的頻響曲線如圖3(a),(b)所示.從圖中可以看出,無論是x極化和y極化,縫隙和金屬環(huán)產(chǎn)生的的諧振頻率都在11.41GHz附近,反射系數(shù)相位曲線斜率在諧振頻率附近都為正,反射系數(shù)模值都在0.80以上,因此該FSS覆層反射層對(duì)于天線輻射波具有極化穩(wěn)定特性.對(duì)于吸波層設(shè)計(jì),加載電阻將入射的雷達(dá)波吸收,吸波率公式為其中A為吸波率.由(10)式可得,吸波層的反射系數(shù)S22和傳輸系數(shù)S12越小,吸波率越大,RCS的減縮越明顯.圖4(a)給出了雷達(dá)波入射時(shí)FSS加載電阻和未加電阻前后的表面電場(chǎng)分布對(duì)比.可以看出,未加電阻時(shí),上下表面都激勵(lì)起很強(qiáng)的電場(chǎng),雷達(dá)波的反射和傳輸都較大;加電阻后,上下表面激勵(lì)的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱,入射雷達(dá)波的反射和傳輸?shù)玫胶芎靡种?電阻對(duì)雷達(dá)波吸收效果明顯,吸波層具有減縮RCS的作用.天線輻射時(shí)FSS的空間電場(chǎng)分布如圖4(b)所示,上下表面產(chǎn)生了很強(qiáng)的諧振,天線輻射的電磁波可透過FSS覆層向外輻射.吸波層對(duì)天線輻射的影響甚微,天線在其工作頻帶內(nèi)正常輻射.當(dāng)雷達(dá)波入射時(shí)(方向從z到-z),FSS覆層吸波層仿真的頻響曲線和吸波率曲線如圖5所示,在5.75—11.37GHz的頻帶范圍內(nèi),反射系數(shù)S22<-10dB,透射系數(shù)S12<-10dB,反射波和透射波都很小;從內(nèi)插圖中可以看出,在上述頻段內(nèi)吸波率都在80%以上,入射的電磁波在5.62GHz的寬頻帶范圍內(nèi)將被有效吸收,但在天線的工作頻帶內(nèi),S22和S12曲線急劇上升,吸波率迅速減小,因此吸波層在天線帶內(nèi)吸波效果差,保證天線正常輻射.對(duì)于不同角度下x極化和y極化雷達(dá)入射波,FSS覆層吸波層仿真的頻響曲線如圖6所示.從圖中可以看出,無論是x極化還是y極化,當(dāng)入射角度從0?增大到45?,反射波和透射波(內(nèi)插圖)依然都很小.因此吸波層對(duì)于兩種極化的雷達(dá)入射波都具有寬帶寬角度的強(qiáng)吸波特性.3覆層加載高度h的影響當(dāng)天線的諧振頻率和FSS覆層的結(jié)構(gòu)固定后,覆層的加載高度h成為影響天線輻射性能和散射性能的最主要因素,其必須滿足式Φ=2Nπ的諧振條件,進(jìn)行變形:3.1fss覆層的rcs減縮特性圖7(a)和(b)分別給出了FSS覆層不同加載高度的天線反射系數(shù)S11和增益的曲線.從圖中可以看出,覆層的加載,對(duì)天線的諧振頻率和增益都有影響:諧振頻率稍向高頻偏移,增益明顯提高.當(dāng)加載高度為14mm和15mm時(shí),天線帶寬和增益改善的較好,但前者的阻抗帶寬和3dB增益帶寬分別為10.44—12.60GHz和10.00—12.24GHz,比后者寬.為了分析天線的散射性能,分別用水平極化和垂直極化的平面波照射加載FSS覆層前后的天線.圖8(a)和(b)給出了FSS覆層加載高度分別為14mm和15mm時(shí)的天線RCS減縮曲線.從圖中可以看出,在兩種極化的垂直入射波照射下,3—13GHz的頻帶范圍,當(dāng)加載高度為14mm時(shí),天線法線方向RCS的3dB減縮帶寬分別為3.00—11.06GHz和3.00—11.19GHz,當(dāng)加載高度為15mm時(shí),天線法線方向RCS的3dB減縮帶寬分別為3.00—10.64GHz和3.00—10.81GHz,在兩種極化下,天線法向RCS在較寬范圍內(nèi)均有減縮,天線具有寬帶的低RCS特性.從圖中也可看出,加載高度為14mm的天線RCS的3dB減縮帶寬比加載高度為15mm的天線寬,但在8—10GHz內(nèi)的部分頻點(diǎn),前者的RCS減縮效果沒有后者好.綜合考慮天線的輻射和散射性能,最終選擇加載高度為14mm.在覆層加載高度為14mm下,當(dāng)兩種極化的平面波從不同角度入射時(shí),天線在4.95GHz(圖8中RCS減縮最大點(diǎn))的RCS對(duì)比曲線如圖9所示.從圖9(a)可以看出,加載覆層后的天線較原始天線的單站RCS減縮最大,分別達(dá)到22.16dB和22.53dB,在-20°—20°的角域減縮均超過3dB,在-15°—15°的角域減縮超過10dB.圖9(b)是在4.95GHz不同極化的平面波垂直入射時(shí),天線在各個(gè)角度的RCS.可以看出,在-37°—37°的角域,均有3dB以上的減縮,在-20°—20°的角域,RCS減縮超過10dB.天線單站和雙站RCS隨角度變化的結(jié)果表明:加載FSS覆層天線在較寬角域保持了低RCS特性,法向的RCS峰值也得到顯著降低,天線具有寬角度的低RCS特性.3.2天線的增益及散射性能為進(jìn)一步驗(yàn)證加載FSS覆層后天線的性能,加工了天線實(shí)物,如圖10所示.用N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法,分別測(cè)試天線的S11、增益和E,H面方向圖,其結(jié)果如圖11—圖13所示.從圖11中可以看出,加載覆層后,天線諧振頻率從11.50GHz向高頻偏移到11.73GHz,帶寬從10.71—12.20GHz擴(kuò)寬到10.74—12.33GHz,增加0.1GHz.兩天線的增益對(duì)比曲線如圖12所示,在10.00—12.40GHz的頻帶范圍,加載覆層后天線的增益提高均在3dB以上,其3dB增益帶寬完全覆蓋天線的阻抗帶寬,天線增益最大提高了7.8dB.圖13給出了諧振頻點(diǎn)11.73GHz的E,H面方向圖,可以看出,天線增益分別提高3.5dB和3.4dB,波束寬度分別減少了16°和50°,天線的定向性增強(qiáng).對(duì)于天線的散射性能,通過寬帶喇叭天線測(cè)量了加載FSS覆層后天線對(duì)垂直入射波的反射損耗.考慮到天線整體尺寸較小,故將天線置于距喇叭天線0.6m(>10λ11.73GHz)處,如圖14所示.圖15給出了3—13GHz頻帶范圍的反射損耗曲線.從圖中可以看出,在4.10—11.30GHz頻帶范圍內(nèi),天線的反射損耗均有3dB以上的減縮,4.65—7.00GHz,9.30—10.00GHz和10.25—11.15GHz三個(gè)頻段減縮超過10dB;在4.95GHz處,最大減縮達(dá)到23.08dB.天線工作頻帶內(nèi),天線的RCS急劇增大,但也有3dB以上的減縮.測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了天線具有寬帶低RCS特性.4覆蓋層的增強(qiáng)本文設(shè)計(jì)了一種FSS覆層的新結(jié)構(gòu),并將該覆層加載于微帶天線.通過合理設(shè)計(jì)覆層,使其上表面具有吸波特性,下表面具有強(qiáng)反射特性.上表面吸收入射電磁波,改善天線的散射性能,下表面和原始天線地板構(gòu)成Fabry-Perot諧振腔,改善天線的輻射特性,并通過仿真與實(shí)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明:加載覆層后的天線,在10.00—12.40GHz均有3dB以上的增益提高,天線方向性增強(qiáng)得;同時(shí)