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基于电磁超表面的低RCS天线

宋青  
【摘要】:在复杂的现代电子战争中,飞行器等武器平台的隐身能力已经成为提升自身打击能力以及保障其存活率的关键因素。在实际使用中,通常采用修改飞行器外形或者涂覆雷达吸波材料等方法降低武器平台的雷达散射截面(RCS)。天线作为武器平台上的主要散射源,保证其辐射性能的前提下,如何有效地降低天线的RCS受到世界各国的重点关注。电磁超表面具有低损耗、尺寸小、易集成等优势,能够对电磁波进行有效调控,为天线隐身设计提供了新的研究思路。本文研究电磁超表面在天线RCS缩减上的应用,主要内容如下:第一,设计了一款基于人工导磁体(AMC)在宽频带内具有低RCS特性的微带天线。首先设计了一种极化敏感的AMC结构,其能够在7.2-19.7GHz频带范围内实现两个方向反射波的相位差?φ(?)(143,217)。其次将5×5的AMC单元组成阵列正交放置,排布成棋盘型超表面,在7.2-19.7GHz频带范围内RCS至少缩减8d B。最后将棋盘型超表面加载到微带天线周围,微带天线的辐射增益有明显提升,并且在相对带宽98%(7-20.5GHz)范围内天线RCS缩减了5d B以上。第二,设计了一款基于极化旋转表面(PCM)实现工作频带内RCS缩减的圆极化天线阵列。首先设计了一种PCM,在4.8-6.7GHz频带范围内,电磁波能够被有效地反射成交叉极化波。通过将棋盘型PCM超表面和天线联合设计,4×4圆极化天线阵的10d B阻抗带宽为4-6.5GHz,3d B轴比带宽为4-6.3GHz,同时天线仿真的最大辐射增益为16.2d Bi。并且其能够在4-7GHz降低天线RCS,其中,带内RCS最大缩减为15d B。最后对圆极化天线阵列进行加工测试,其测试结果和仿真结果保持一致。第三,基于棋盘型吸波型频率选择表面(AFSS)设计了一款在工作频带内和频带外同时缩减RCS的圆极化天线阵列。首先依据散射相消和损耗电磁波能量的方法设计了一种AFSS,其具有低频吸收、中频交叉极化反射、高频吸收的电磁属性。其次将2×2 AFSS单元和缝隙天线联合设计,单元天线能够辐射圆极化波。然后比较周期型天线阵列和棋盘型阵列的辐射性能和散射性能,结果表明棋盘型天线阵列在保证辐射性能的同时,实现了2-9GHz RCS有效缩减。最后对棋盘型天线阵列进行了加工测试,其测试结果与仿真结果保持一致。


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