基于左手材料的微帶天線小角域rcs控制

基于左手材料的微帶天線小角域rcs控制

隨著隱形和反隱形技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)波束回波面（rcs）的減少和簡化技術(shù)在軍事領(lǐng)域引起了科學(xué)家的關(guān)注。作為一種特殊的色散材料，天線的rcs減少和收縮問題已成為減少和收縮技術(shù)的關(guān)鍵。為了適應(yīng)超材料的rcs，超材料的衰減和收縮應(yīng)用非常廣泛，如頻率選擇表面（fss）、高阻抗表面（h）、結(jié)構(gòu)吸波材料（ras）和其他應(yīng)用方法。然而，由于材料本身的角度穩(wěn)定，這些技術(shù)的研究主要集中在平面波的垂直入射特性上，最多只能實(shí)現(xiàn)45的rcs減小和收縮問題。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是放在軍事行動的天線上移動一定的角度。最重要的rcs波攻擊角度不是垂直的，而是更遠(yuǎn)的角域。目前，國內(nèi)外還沒有方法可以有效控制雷達(dá)波斜入射時的rcs，左手材料的扁平聚集特性可以很好地解決這個問題。1968年,前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago研究了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的各向同性左手材料中電磁波的傳播特性,預(yù)測了一系列不同尋常的物理現(xiàn)象:電場、磁場和波束服從左手定則、坡印廷矢量與波束的反向平行、逆斯涅爾折射現(xiàn)象、逆多普勒效應(yīng)及逆契侖可夫輻射效應(yīng)等.自2001年Smith等人通過實(shí)驗(yàn)證明了左手材料的存在后,左手材料迅速成為物理學(xué)界和電磁學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一.國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)于左手材料問題的理論和實(shí)驗(yàn)研究也十分活躍、深入.近幾年,左手材料在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了突破,在多個波段對左手材料等電磁超介質(zhì)進(jìn)行了各種研究.左手材料等電磁超介質(zhì)的提出突破了傳統(tǒng)電磁場理論中的一些重要概念,深入研究的成果將在許多領(lǐng)域中有重大的應(yīng)用.左手材料研究與應(yīng)用近年來取得了巨大的進(jìn)展,但其在天線RCS減縮中卻鮮有應(yīng)用.筆者主要研究利用左手材料的平板匯聚特性,將左手材料作為天線覆層來控制天線的角域RCS.基于以上考慮,筆者提出了一種用LHM結(jié)構(gòu)減縮微帶天線的雷達(dá)散射截面的方法,給微帶天線上加載LHM結(jié)構(gòu)的天線覆層來控制微帶天線工作頻率的角域散射場.分析了左手材料尺寸對其雙負(fù)特性的影響,分別給出了微帶天線單元以及微帶陣列天線使用這種方法的仿真減縮實(shí)例.仿真結(jié)果表明,當(dāng)微帶天線單元以及微帶陣列天線加載LHM結(jié)構(gòu)的天線覆層后,天線在小角域范圍內(nèi)可獲得20dB以上的減縮,并通過改變左手材料的尺寸來達(dá)到在一定小角域范圍內(nèi)的RCS減縮控制.1基于matlab的lhm結(jié)構(gòu)等效參數(shù)仿真在利用左手材料進(jìn)行角域的RCS控制之前,首先要對其雙負(fù)特性進(jìn)行分析.筆者利用smith方法對LHM進(jìn)行參數(shù)提取,通過S參數(shù)導(dǎo)出了LHM的等效相對介電常數(shù)(EffectiveRelativePermittivity)εeff、等效相對磁導(dǎo)率(EffectiveRelativePermeability)μeff和折射率(RefractiveIndex)n,更加直觀地給出了LHM結(jié)構(gòu)的雙負(fù)特性.研究了其尺寸對雙負(fù)特性和折射率的影響,給出了不同尺寸時LHM的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率以及折射率的變化情況.在仿真時,采用的是Ansoft公司的HFSS11,該軟件是基于有限元法來進(jìn)行仿真,分析方法是基于無線周期邊界條件的單元模型.參數(shù)提取過程采用Matlab軟件編程.仿真模型如圖1所示.筆者采用文獻(xiàn)中提出的LHM結(jié)構(gòu),其基本尺寸參數(shù)如下:g=0.2mm,l=2mm,w=2mm,L1=L2=2.5mm,H1=2.25mm,H2=1.5mm,εr=4.4(tanδ=0.02).在下面的分析中只改變l的值,其他參數(shù)保持不變.通過對該LHM結(jié)構(gòu)的等效參數(shù)進(jìn)行提取,得到其等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率以及折射率,圖2所示為該LHM結(jié)構(gòu)的等效相對介電常數(shù)、等效相對磁導(dǎo)率和折射率.可以看到LHM的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率的變化趨勢基本相同,在5.4GHz左右時有從正值到負(fù)值的突變,在12GHz左右時趨于0并逐漸增大.利用上述方法對LHM結(jié)構(gòu)不同尺寸下的雙負(fù)特性進(jìn)行仿真,并利用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率以及折射率的參數(shù)提取.2lhm結(jié)構(gòu)天線覆層由于LHM結(jié)構(gòu)具有在一定頻帶內(nèi)的雙負(fù)特性,通過調(diào)整其單元尺寸,使其在需要的頻帶內(nèi)的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率近似為0,根據(jù)LHM結(jié)構(gòu)的折射率近似為0.又根據(jù)Snell定律如圖3(a)所示,LHM結(jié)構(gòu)天線覆層為介質(zhì)1,當(dāng)電磁波由介質(zhì)1向介質(zhì)2(空氣)中傳播時n1≈0,n2=1.故θ1為任意值時,θ2均近似為0.如圖3(b)所示,將LHM結(jié)構(gòu)作為天線覆層放置于天線上方,利用其平板匯聚特性,將發(fā)散到其他角度內(nèi)的散射波匯聚到天線正上方,就能夠?qū)⑻炀€其他角度的散射峰值轉(zhuǎn)移到較為容易處理的正上方.而通過改變其尺寸以達(dá)到改變折射率的目的,就可以對天線的RCS減縮范圍進(jìn)行控制.因此,利用LHM結(jié)構(gòu)天線覆層對天線RCS減縮具有一定的可行性.作為驗(yàn)證仿真例1,將圖1所示的LHM結(jié)構(gòu)作為天線覆層加載在微帶貼片天線上.如圖4所示,微帶天線的中心工作頻率設(shè)計(jì)為11.1GHz.介質(zhì)板尺寸為L1×W1×h=20mm×20mm×1.5mm,其中h為介質(zhì)板厚度.天線的尺寸L2×W2=7mm×7mm,覆層距天線距離為12.44mm.所使用的LHM結(jié)構(gòu)l=2mm.2.1基于lhm結(jié)構(gòu)的天線仿真一般超材料的加載會對天線的輻射特性造成不同程度的破壞,主要是增益會有一定的損失.由于LHM結(jié)構(gòu)的平板匯聚特性,使用LHM結(jié)構(gòu)覆層后的天線的S11不會有太大變化,而主瓣增益會有明顯提高.這是其他超材料加載時無可比擬的地方,但是使用LHM結(jié)構(gòu)天線覆層也有一個缺陷,就是會影響全向天線的全向性,這也是使用LHM結(jié)構(gòu)天線覆層時的一對矛盾.由于它的這種特性,使得LHM結(jié)構(gòu)天線覆層更適用于某些高方向性天線的RCS控制.所以這里只是提出一種角域RCS的控制方法,而不針對某種天線.文中分別仿真了微帶天線使用和沒有使用LHM結(jié)構(gòu)覆層的S11和輻射方向圖.仿真所得S11如圖5(a)所示,E面和H面方向圖如圖5(b)、(c)所示.可以看出,使用LHM結(jié)構(gòu)后,天線的S11會有一定程度的惡化,但諧振頻率基本未發(fā)生改變.E面與H面上的輻射方向圖的主瓣增益有了明顯的增大,而3dB波瓣寬度則遭到了一定的破壞.2.2lhm結(jié)構(gòu)的不同分辨率對天線角域rcs減縮的影響這里分析了不同的覆層與天線間距以及不同尺寸(不同折射率)時,LHM結(jié)構(gòu)天線覆層對于天線RCS的影響,最終達(dá)到在一定范圍內(nèi)天線的角域RCS控制.圖6顯示入射波為φ極化時,覆層與天線不同的間距在天線中心頻率的角域RCS比對曲線.由圖6可以看出,覆層與天線之間的間距對天線RCS的減縮大小有一定的影響,但對其減縮的角域并無太大影響.同時可以看出,當(dāng)使用LHM結(jié)構(gòu)覆層時,入射波垂直入射時以及鄰近角域的RCS會有所增大.在實(shí)際應(yīng)用中,也可以結(jié)合其他垂直入射時RCS的減縮方法來彌補(bǔ)LHM結(jié)構(gòu)所帶來的平面波垂直入射時RCS增大的問題.圖6說明,該方法在工程應(yīng)用上具有較大的參考價值.接下來分析LHM結(jié)構(gòu)覆層不同折射率對于天線角域RCS減縮的影響.由圖7可以看出,當(dāng)LHM結(jié)構(gòu)的尺寸改變(折射率改變)時,天線RCS減縮角域會隨著變化,可以根據(jù)不同的實(shí)際需求,來改變LHM結(jié)構(gòu)的折射率,用以控制想要減縮的角域范圍.作為驗(yàn)證仿真例2,將圖1所示的LHM結(jié)構(gòu)作為天線覆層加載在微帶陣列天線上.如圖8所示,微帶陣列天線的中心工作頻率同樣設(shè)計(jì)為11.1GHz.介質(zhì)板尺寸為72mm×18mm×1.5mm,其中介質(zhì)板厚度為1.5mm.天線單元采用例1所示的貼片單元,覆層距陣列天線同樣為12.44mm.所使用的LHM結(jié)構(gòu)l=2mm.仿真所得S11如圖9(a)所示,E面和H面方向圖如圖9(b)、(c)所示.可以看出,與微帶貼片天線相同,使用LHM結(jié)構(gòu)后,陣列天線的S11會有一定程度的惡化,但諧振頻率基本未發(fā)生改變.而與微帶貼片天線不同的是,在使用LHM結(jié)構(gòu)作為天線覆層后,天線主波瓣輻射特性基本保留,3dB波瓣寬度基本不變.圖10給出了使用LHM結(jié)構(gòu)覆層前后,陣列天線的RCS比對曲線.可以看到,當(dāng)使用LHM結(jié)構(gòu)天線覆層后,φ=0°與φ=90°時,天線的RCS在小角域范圍內(nèi)都會有不同程度的減縮效果,最大減縮量可達(dá)20dB.仿真例2進(jìn)一步說明了該方法的有效性及其在工程上具有一定的參考價值.3微帶天線單元和微帶陣列天線的仿真減縮提出了一種用LHM結(jié)構(gòu)減縮微帶天線的