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人工磁导体在电磁辐射及散射问题中的应用研究

张泳  
【摘要】:人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC),以其在特定频率的零反射相位特性,受到广泛关注和研究,已被用于电磁传输、辐射和散射问题的研究中。本文主要对AMC用于天线性能改善和降低反射屏雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)展开研究。 论文首先介绍了当前超材料的研究和发展应用的状况;对AMC的原理和设计方法、Fabry-Pérot(F-P)天线的发展状况、降低目标RCS的研究现状加以阐述;然后介绍了本文所使用的数值方法和仿真系统。如果用AMC结构取代传统F-P天线的金属地板,能够将F-P天线高度降低一半。文中总结了F-P天线的设计方法。通过射线模型,介绍了F-P天线的工作原理,构造了多种F-P腔体,包括不同腔体尺寸、不同覆层材料和不同AMC的腔体。应用周期镜像法和接收模式法对腔体进行分析;分别研究了偶极子天线和微带天线用于腔体激励,对于尺寸较大的腔体,两个天线激励较单个天线激励更能有效提高F-P天线的增益;利用AMC的相位特性,在天线增益损失不大的前提下,能够将F-P天线的高度进一步降低;设计了几种利用单个微带天线激励的F-P天线,并加工测试,实测与仿真结果吻合较好。 研究了多种人工地板在偶极子和微带天线设计中的应用,包括含金属背板的普通介质地板、方环AMC地板和螺旋AMC地板。根据螺旋AMC地板的反射幅度和相位特性,设计了圆极化的偶极子天线。相比于普通介质地板,方环AMC和螺旋AMC地板有效降低了贴片天线的工作频率,并保持矩形贴片线极化特性不变。利用螺旋AMC地板,不但能够降低天线的工作频率,还能在另外的频率使得天线辐射圆极化电磁波,因此螺旋AMC地板使得天线具有双频双极化特性。两个不同圆极化的微带天线经加工测试,实测与仿真结果吻合较好。 研究了混合AMC在低RCS反射屏设计中的应用。利用不同AMC结构之间的相位差特性,使得能量在一些方向相互抵消,并往别的方向传播,从而某些方向上RCS被减小。将两种AMC块按照棋盘式分布构成反射屏,实现了电磁波正入射时,单站RCS在较宽频带内的缩减,能量被转移到平面的4个对角方向;将不同AMC块按照风扇结构排列构成反射屏,使得电磁波被反射到更多方向;研究了斜入射条件下,两个反射屏的RCS特性;利用阵列方法,建立不同AMC块任意分布的反射屏特性的计算模型;研究了AMC块随机分布对结果的影响,并与软件计算结果进行比对,吻合较好,验证了该方法的有效性。


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