一种极化选择多频带的低雷达截面积反射屏

姚 旭,曹祥玉,高 军,赵 一,杨欢欢

(1.空军工程大学空管与领航学院,陕西西安 710051; 2.空军工程大学信息与导航学院,陕西西安 710077)

一种极化选择多频带的低雷达截面积反射屏

姚 旭1,曹祥玉2,高 军2,赵 一2,杨欢欢2

(1.空军工程大学空管与领航学院,陕西西安 710051; 2.空军工程大学信息与导航学院,陕西西安 710077)

利用互补开口环谐振器的谐振特性,设计了一种极化选择多频带人工磁导体,并采用相位对消的方法,将此新型人工磁导体和理想电导体组合,提出了一种具有极化选择特性的多频带低雷达截面积反射屏.当电磁波以水平极化和垂直极化照射该屏时,分别产生2个和3个低雷达截面积频段,具有多频段极化选择吸波特性.

人工磁导体;反射屏;极化选择特性;多频段;雷达截面积减缩

雷达截面积(RCS)是雷达探测技术、隐身和反隐身技术中表征目标可被识别的一个基本参数,是目标体在平面波照射下返回功率的一种量度.目前减少雷达截面积最有效的方法主要有雷达吸波材料涂覆技术和外形隐身技术.最常用的吸波材料是Salisbury吸收屏[1],它是由损耗层和间隔层组成的一种结构,将电阻片放置在距离底板1/4波长处,能有效吸收电磁波.这类结构具有设计思路简单、易于实现等优点,但是材料厚度较大,应用受到了限制.文献[2-4]利用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)反射面在中心频率附近的高阻抗特性代替传统的Salisbury屏,并在人工磁导体单元之间加载电阻吸收电磁波,实现超薄雷达吸波材料的设计.

利用反射波相互干涉的原理,通过不同反射面之间的相位对消将后向散射能量转移到其他角度,降低了目标的雷达截面积,可以实现外形隐身.文献[5]利用人工磁导体和理想电导体反射面之间相位相差180°的特性,将人工磁导体结构和理想电导体结构组成棋盘型反射屏,使两部分的电磁反射相互抵消,有效地将能量引导到其他方向,降低了目标的单站雷达截面积.文献[6]将人工磁导体和理想电导体构成的环形表面应用到波导缝隙天线设计中,同时实现了天线增益和雷达截面积的改善.文献[7-8]采用两种结构(即AMC1和AMC2)组合替代人工磁导体和理想电导体结构组合,通过优化设计,以在较宽频带内保持AMC1与AMC2相位差为180°±30°,实现较宽频带上的雷达截面积减缩.文献[9-10]利用两种人工磁导体重合频段的带内耦合作用,实现相位差为141°的雷达截面积减缩.

笔者将互补开口环谐振器与人工磁导体相结合,提出了一种极化选择多频段人工磁导体(PDMAMC).利用该新型人工磁导体与理想电导体相位对消,设计出具有极化选择特性的多频带低雷达截面积反射屏.

1 极化选择多频带人工磁导体结构

根据传输线理论,人工磁导体结构可以等效为LC谐振电路,其同相反射区定义在±90°范围内,在谐振点处反射相位近似为0°[11-12].传统人工磁导体结构同相反射区只有一个频带,而在人工磁导体结构的金属表面加载缝隙,可以通过改变金属表面的电流和电场分布来实现多个频带同相反射[13].由开口环谐振器结构和互补开口环谐振器结构的对偶关系[14]可知,在电磁波垂直入射互补开口环谐振器结构的条件下,当磁场平行于互补开口环谐振器结构开口边时会产生磁谐振,从而造成传输阻带;而当电场平行于互补开口环谐振器结构开口边时不会产生谐振现象,没有传输阻带[15-17].利用这一特性,笔者设计了一种极化选择多频带人工磁导体(PDMAMC).该结构在无过孔人工磁导体的金属表面加载互补开口环谐振器结构[18-19],结构参数如图1所示,周期为7.5 mm,金属贴片大小为7.3 mm,互补开口环谐振器的外环长度为6.5 mm,开口宽度g=0.2 mm,内外环的宽度为0.2 mm,内外环的间距为0.5 mm,介质板厚度为2 mm,介电常数为2.65.

图1 人工磁导体单元几何结构

采用HFSS12的Floquet端口,结合主从边界模拟无限周期进行仿真,可以得到在不同电场极化垂直照射极化选择多频带人工磁导体结构的反射相位,如图2所示.从图2中可以看出,当电场为x极化(电场方向平行于x轴)时,该结构具有两个同相反射区,分别是4.1～4.58 GHz和9.5～9.94 GHz,其反射相位曲线零点分别为4.36 GHz和9.75 GHz;当电场为y极化(电场方向平行于y轴)时,该结构具有3个同相反射区,分别是3.72～4.34 GHz,4.57～5.16 GHz和7.27～7.62 GHz,其反射相位曲线零点分别为3.85 GHz,4.86 GHz和7.39 GHz.

图3给出不同电场极化垂直照射极化选择多频带人工磁导体结构的电场分布.当电场为x极化时,互补开口环谐振器结构不会产生磁谐振,可将其等效为传统的双环型结构.如图3(a)所示,双环型结构和人工磁导体结构的金属表面产生了两个谐振;当电场为y极化时,互补开口环谐振器结构会产生磁谐振,此时互补开口环谐振器作为微扰源与人工磁导体结构的金属表面共同作用产生3个谐振[20],如图3(b)所示.3个谐振分别是由外环、内环和外环与内环共同作用产生的.

图2 不同电场极化下极化选择多频带人工磁导体结构的反射相位

2 极化选择多频带低雷达截面积反射屏

低雷达截面积反射屏理论模型为理想磁导体和理想电导体构成2×2的二维棋盘型阵列表面,如图4(a)所示.当平面波照射到阵列表面时,可以近似认为理想磁导体和理想电导体表面产生幅度相等的表面电流,只是相位相反.这样阵列的散射问题则可等效为辐射问题,利用阵列天线原理加以分析,其散射阵因子可以表示为

图3 不同极化下极化选择多频带人工磁导体结构的电场分布

式中,Imn表示辐射幅度,d表示单元间距.

图4 棋盘型相位对消表面

由式(1)可知,当平面波垂直入射到图4(a)所示的结构上时,θ=0°(镜向方向),φ=0°(xy系),φ=90°(yz系),由于反射场的相位对消,在某些角域反射能量会变小,在某些角域反射能量会增加,从而可达到改变散射特性的目的.由于自然界中理想磁导体并不存在,而周期人工磁导体结构在谐振点处反射相位近似为0°,可以用周期人工磁导体结构代替理想磁导体来实现相位对消.

这里采用尺寸为图2的4×4的极化选择多频带人工磁导体单元结构代替理想磁导体部分,组成了具有极化选择多频带特性的低雷达截面积反射屏,如图4(b)所示,尺寸为60 mm×60 mm.由于极化选择多频带人工磁导体对于x极化和y极化入射电场分别出现2个和3个反射相位零点,这样在入射波为不同极化条件下可以实现多频带相位对消.图5给出了3～12 GHz的不同极化电磁波垂直入射下单站雷达截面积减缩曲线.对于x极化的入射条件,在5.16 GHz和9.98 GHz附近出现了减缩效果,最大减缩幅度为18.5 d B;对于y极化的入射条件,在3.98 GHz,5.02 GHz和7.66 GHz附近出现了减缩效果,最大减缩幅度为27.4 d B,该结果与图2的反射相位零点取得一致,其中略微的频差主要是由于反射相位曲线仿真时采用无限周期所致.图6分别给出了7.66 GHz处y极化入射和9.98 GHz处x极化入射条件下的φ=0平面的后向散射方向图.从图中可以看出,镜向区域的散射峰值得到了有效的抑制.

图5 垂直入射情况下的不同极化条件的雷达截面积减缩曲线

图6 后向散射方向图

图7 实验测试装置和实验实物图

3 反射率实验

在开放的空间中验证极化选择多频带人工磁导体反射屏反射特性.利用矢量网络分析仪(Agilent N5230C)、3～15 GHz宽带喇叭天线、螺钉调配器等微波器件,建立如图7(a)所示的实验测试系统[21].首先利用网络分析仪本身产生的微波信号,使用螺钉调配器将喇叭天线的回波损耗特性调至最小,即天线的辐射特性最好,此时利用该天线测量接收到的回波损耗特性.为了和金属屏进行对比,需要测量两次:一次是金属屏,另一次是极化选择多频带人工磁导体反射屏.根据两次结果,检验极化选择多频带人工磁导体反射屏空间反射特性.将天线旋转90°,改变入射波的极化方式进行同样测量.由于电场沿x和y方向极化,因此整个平板波导系统的设置与仿真设置基本一致.加工一块5×5的棋盘表面结构样品,尺寸为300 mm× 300 mm,如图7(b)所示.图8为极化选择多频带人工磁导体反射屏与金属屏在不同极化条件下的反射能量差值.由图可知,对于x极化的入射条件,在5.48 GHz和9.8 GHz附近出现了10 dB以上的减缩效果;对于y极化的入射条件,在3.86 GHz,5.61 GHz和7.05 GHz附近出现了10 dB以上的减缩效果,实测结果和仿真结果基本一致.

图8 测试结果

4 结束语

将互补开裂环与人工磁导体结合,笔者设计了一种极化选择多频带人工磁导体.将该新型人工磁导体与理想电导体的相位对消,设计出对于不同极化条件下的多频带低雷达截面积反射屏.理论分析和仿真、实验结果均表明该结构对于不同极化条件具有多频带吸波特性.此外,对极化选择特性多频段的目标雷达截面积减缩具有应用价值.

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(编辑:郭 华)

Polarization-dependent mutiband low RCS reflection screen

YAO Xu1,CAO Xiangyu2,GAO Jun2,ZHAO Yi2,YANG Huanhuan2
(1.ATC Navigation Collage of Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China;2.Information an Navigation School of Air Force Engineering University,Xi’an 710077,China)

A novel radar reflection screen composed of the polarization-dependent mutiband artificial magnetic conductor(PDMAMC)and perfect electric conductor cells is proposed.The PDMAMC is realized by etching a complementary split ring resonator(CSRR)on the patch of a conventional artificial magnetic conductor.Around the two/three operational frequencies of the PDMAMC-elements for different electric field polarizations,the reflection of the PDMAMC and perfect electric conductor have opposite phases,so for any normal incident plane wave the reflections cancel out.The basic principle is discussed and a sample is measured.The results show that the proposed method is feasible and effective for polarization-dependent mutiband RCS reduction.

artificial magnetic conductor;reflection screen;polarization-dependent;mutiband;radar cross section reduction

TM15

A

1001-2400(2014)01-0153-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2014.01.027

2012-10-30 < class="emphasis_bold">网络出版时间:

时间:2013-09-16

国家自然科学基金资助项目(61271100);陕西省自然科学基金研究重点资助项目(2010JZ010);陕西省自然科学基础研究资助项目(SJ08-ZT06);陕西省自然科学基金资助项目(2012JM8003)

姚 旭(1983-),男,空军工程大学博士研究生,E-mail:qishui83215@163.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20130916.0926.201401.189_023.html