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基于电磁带隙结构的隐身技术研究及其在天线阵中的应用

李有权  
【摘要】: 电磁带隙(EBG)结构是一种新型的人工电磁材料,已经在微波领域得到广泛的研究与应用,用以实现高性能天线及微波器件。但是EBG结构的电磁散射特性的研究没有引起足够的重视,EBG结构用于隐身尤其是天线隐身的研究还很少。本文主要对电磁带隙结构在目标隐身方面的应用进行研究。 介绍了电磁带隙结构的数值分析方法。我们根据不同的需要选择不同的分析方法。选择有限元法分析EBG结构的能带特性,选择FDTD方法分析EBG结构的同相反射特性。简要介要了两种方法的基本原理,并给出实际计算实例。 深入研究了EBG结构的电磁特性。重点分析了电阻加载EBG结构的表面波特性。采用RLC电路对加载电阻后的EBG结构的表面阻抗可以进行等效,并采用传输线模型对其带隙特性进行了分析。采用LC等效模型对EBG结构的表面阻抗进行建模,给出反射相位的计算公式。最后研究了EBG结构的表面波带隙及反射相位的关系,并通过实验进行验证。 研究利用EBG结构改变目标散射特性。理想磁导体(PMC)和理想电导体(PEC)的反射相位相差1800,将PMC和PEC结构组合在一起,利用相位的差异改变平面结构的散射特性。首先分析了简单组合结构的散射特性,采用软件对其单站RCS进行仿真并与测试结果进行了对比,PEC和PMC组合结构能有效降低后向散射,但是对入射波极化方式敏感。在此基础上提出了棋盘结构,分析棋盘结构的散射特性,给出了影响棋盘结构RCS减缩效果的两个因素:相位差及单元尺寸。最后采用不同尺寸的EBG结构实现了宽带棋盘结构。 深入研究了基于EBG结构的超薄吸波材料。利用EBG结构的同相反射特性,可以实现超薄吸波材料,其设计原理与Salisbury屏吸收原理一致。采用集总参数等效模型对吸波材料进行建模,给出了吸波材料的设计方法。研究发现吸波材料的吸波带宽是由EBG结构的同相反射相位±600的频带决定的,在焊接电阻过程中引入了寄生电容,导致吸波频带向低频偏移了。采用缝隙加载技术可以有效降低高阻表面的反射相位,从而有效降低吸波材料的工作频段。最后研究了基于方形环的吸波材料的吸波特性。 研究了超薄吸波材料在天线阵中的应用。将吸波材料用于天线阵,可以有效降低天线的结构散射,同时保持了天线的辐射特性。在波导缝隙阵列天线及螺旋天线阵上的应用表明,天线RCS可以得到有效降低,而天线阵的辐射特性仅增益有所降低,为天线隐身提供了一种新的途径。


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