基于AMC的吸波材料及其在微带天线中的应用

李有权 张光甫 袁乃昌

(国防科技大学电子科学与工程学院,湖南 长沙 410073)

1.引 言

为了获得性能优异的吸波材料,世界各国都在致力于开发基于新型吸波机制的吸波材料。ENGHETA N首次提出用Metamaterial来获得超薄吸收材料的思想[1],用含损耗的频率选择表面(HZFSS)实现了超薄吸收材料[2-4],但设计方法较为复杂,很难在实际当中得到应用。文献[5]采用在高阻表面上加载集总电阻的方法实现超薄吸波,该方法结构简单,具有较强的实用性。

微带天线因为其有轻、薄及容易共形的特点,在各种作战平台上得到广泛的应用。降低微带天线RCS对于降低整个作战平台的RCS具有十分重要的意义。传统的微带天线RCS减缩方法如采用损耗衬底和加终端匹配等[6-8],都是以天线的辐射性能降低为代价的。本文首先研究了基于AMC结构的吸波材料的设计,给出了设计方法并对实验结果进行了分析。然后,将这种超薄吸波材料应用于微带天线,测量结果表明：在所设计的频带内,天线RCS得到有效降低,而天线性能只是稍有下降,仅前向增益下降了0.9 dB,为微带天线的减缩提供了一种新的方法。

2.基于AMC结构吸波材料的设计

高阻电磁表面的提出,在物理上找到实现理想磁导体(PMC)特性的途径。高阻电磁表面具有同相反射的特点,在其等效并联LC电路的谐振频率上,可以等效看作是PMC。虽然这种结构在物理上并不是真正意义上的理想磁导体,但是在某一频率上会表现出与PMC相同的特性,因此,满足这一特性的结构称作人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor：AMC)

基于AMC材料所设计的吸波材料包括两个部分,具有同相反射特性的AMC结构和损耗层。在介质基板表面周期排列的方形贴片,底板为金属板,可以实现AMC结构,直接将集总电阻加载在贴片之间实现损耗层。这种结构仍然基于Salisbury屏原理[9],但是由于AMC同相反射特性,不存在1/4波长厚度的限制,可以实现超薄特性。选择适当的电阻阻值可以在一定频段内较好地吸收入射电磁波。如图1所示为基于AMC结构吸波材料示意图。

对于厚度为h的介质板,底板为金属,表面为周期方形贴片阵列,当电磁波垂直入射到其表面时,表面阻抗可以等效为容性的贴片阵和感性的介质板并联,可表示为[10]

图1 基于AMC结构的吸波材料

式中：有效介电常数 εeff=(εr+1)/2;有效波阻抗为有效波数为

当电磁波垂直入射到厚度为h的介质板时,其输入阻抗为

在谐振频率,输入阻抗的虚部趋近于无穷大,此时这种结构可以等效为AMC,如果在其表面放置电阻片,就可以实现吸波效果,整个吸波结构输入阻抗为

对于垂直入射波,其表面反射系数为

所设计的AMC吸波材料采用如下参数：介质板厚度为3 mm,介电常数为3.5,方形贴片宽度为8 mm,贴片间缝隙宽度为0.5 mm。我们制作了两块同样尺寸的AMC结构,整体结构大小为138.6 mm×138.6 mm,其中一块在方形贴片间加载阻值为620 Ω的集总电阻。

图2 测量的AMC反射相位与表面反射系数

图2所示为AMC反射相位及吸波材料表面反射系数的测量结果。从图中可以看出,AMC反射相位在±60°的频带4.52～5.24 GHz,其带宽为720 MHz,其中心频率为4.88 GHz。AMC吸波材料表面反射系数低于-10 dB的频段为 4.01～4.73 GHz,带宽为720 MHz,中心频率为 4.35 GHz。从测量结果发现AMC吸波频带基本与其表面反射相位在±60°的频带相对应,但是,其中心频率向低频发生了偏移。这是由于加载集总电阻时会产生寄生电容,使得吸波频段下移,而没有与AMC同相反射频段相对应,我们在设计AMC结构吸波材料时应考虑到寄生电容的影响。

3.加载AMC吸波材料的微带天线及测量结果

3.1 吸波材料在天线中应用的基本原理

微带天线RCS可分为结构散射和模式散射,将基于AMC结构的吸波材料用于天线设计,主要是降低天线的结构散射。加载方法是用吸波材料覆盖天线的金属结构,此时天线能够正常辐射,而入射到天线上的电磁波则可以被吸波材料吸收。其主要设计思想为：

1)根据天线的工作频带,确定吸波材料的工作频带,吸波材料的工作频带应覆盖天线的工作频带。

2)根据天线的几何尺寸,选择合适尺寸的AMC结构,确保两个以上单元的AMC结构。

3)根据第二节AMC吸波材料的设计公式,计算出吸波材料的工作频带。在设计中必须考虑寄生电容的影响,会导致吸波频带向低频移动10%左右。

4)对所设计的吸波材料进行测量,如果吸波频带能够覆盖天线的工作频带,则设计成功,否则需要调整AMC的结构参数。

3.2 加载AMC吸波材料的微带天线

加载AMC吸波材料的微带矩形贴片天线如图3所示。它们共用相同的基板,介质板厚度为3 mm，介电常数为3.5,微带天线采用同轴馈电方式,AMC吸波材料围绕在辐射贴片四周,AMC参数与第二节所描述的参数相同,微带天线贴片尺寸为16.8 mm×12.4 mm,在微带贴片与AMC吸波结构之间适当留出距离,以减小对天线的影响。加载AMC吸波材料的天线整体尺寸为61.2 mm×61.2 mm。AMC吸波材料的工作频带覆盖了天线的工作频带。

图3 加载AMC吸波材料的微带天线

3.3 测试结果及讨论

在天线表面加载吸波材料后,对微带天线的辐射性能会产生一定影响,我们主要从实验的角度分析其对天线性能的影响,主要分析了反射系数,方向图及RCS三个参数。

加载AMC吸波材料微带天线与参考天线的反射系数测量结果如图4所示,加载吸波材料后微带天线反射系数的带宽基本没有影响,只是深度有差异,这说明AMC吸波材料对其天线的反射系数影响较小。

图4 天线反射系数比较

在微波暗室中对天线方向图进行了测量,测量频点为4.35 GHz,为了便于比较,对测量结果进行了归一化处理,如图5(a)和(b)所示。

从测量的 E面和 H面方向图来看,加载了AMC吸波材料后,对E面和H面的影响基本一致,即微带天线方向图在各个方向幅值稍有降低,但降低幅度不大。天线前向增益下降了0.9 dB。这是由于吸波材料对各个方向均有吸波效果。

为了验证吸波材料对天线结构散射的降低效果,在测量时两个天线都加载了匹配负载。由于天线整体尺寸较小,考虑到整个测量系统精度,采用如下测量方式：将两个喇叭天线平排放置,中间放置吸波材料以减小天线间的耦合,把贴片天线放置在距离喇叭100 cm处,此时入射波可近似看作平面波。在微波暗室中对两个天线的后向散射进行了测量,电磁波入射方向垂直于天线表面,电场方向与 x方向平行。

加载吸波材料后微带天线 RCS减缩结果如图6所示,可以看出在整个频带内RCS值均有减缩,在4.1～4.83GHz频带内,天线的 RCS降低了10dB以上,RCS减缩频段与AMC吸波材料的工作频段一致,说明RCS的减缩是因为AMC吸波材料的缘故。图6中RCS减缩曲线在4.5 GHz周围存在一个突起,这是因为天线工作在这个频段,虽然加载了匹配负载,但是模式散射依然存在一些影响。从测量结果可以看出吸波材料能够有效降低微带天线的结构散射。

图6 加载AMC吸波材料后天线RCS减缩

4.结 论

周期排列的金属贴片阵在谐振频率可以实现人工磁导体特性,在贴片间加载集总电阻能够吸收入射电磁波,实现超薄吸波材料,其吸波频段对应于同相反射相位在±60°的区域。在实际设计时由于寄生电容,吸波频段会往低频偏移。将这种超薄吸波材料应用于微带天线中,能够有效降低微带天线的RCS,同时微带天线辐射特性影响较小,仅前向增益下降0.9dB。

[1]ENGHETA N.Thin absorbing screens using metamaterial surfaces[C]//IEEE Trans.Antenna propag society(AP-S)Int.Symp.And USNC/URSI National Radio Science Meeting,San Antonio,TX,USA,2002：16-21.

[2]KERN D J,WERNER D H.A genetic algorithm approach to the design of ultra-thin electromagnetic bandgap absorbers[J].Microwave and Optical Technology Letters,2003.38(1)：61-64.

[3]陈 良,徐彬彬,张世鸿,等.电阻贴片频率选择表面(FSSR)的吸波性能研究[J].电波科学学报,2006,21(4)：548-552.CHEN Liang,XU Bin-bin,ZHANG Shi-hong,et al.Absorbing performance of frequency selective surface with resistance patch[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(4)：548-552.(in Chinese)

[4]徐 欧,朱 敏,徐金平,等.双层方环可电控FSS吸波屏设计和实验研究[J].电波科学学报,2009,24(5)：837-843.XU Ou,ZHU Ming,XU Jinping,et al.Design and measurement of active absorber using the double layer square loop FSS[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(5)：837-843..(in Chinese)

[5]GAO Q,YIN Y,YAN D B,et al..Application of metamaterials to ultra-thin radar-absorbing material design[J].Electronics Letters,2005,41(17)：936-937.

[6]JACKSON D R.The RCS of a rectangular microstrip patch in a substrate-superstrate geometry[J]IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1990,38(1)：2-8.

[7]杨 超,阮颖铮,冯 林.微带天线RCS缩减技术及分析方法[J].电波科学学报,1994,9(4)：52-56.YANG Chao,RUAN Yingzheng,FENG Lin.RCS Reduction Techniques and Analysis Method of Microstrip Antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,1994,9(4)：52-56..(in Chinese)

[8]VOLAKIS J L,ALEXANIAN A,JIN J.Broadband RCS reduction of rectangular patch by using distributed loading[J].Electron Letters,1992,28(25)：2322-2323.

[9]TRET YAKOV S A,SIMOVSKI C R.Dynamic model of artificial reactive impedance surfaces[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,2003,17(1)：131-145.

[10]FANTE R L,MCCOM ACK M T.Reflection properties of the salisbury screen[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1988,36(10)：1443-1445.