杨欢欢 曹祥玉 高 军 刘 涛 姚 旭 李文强

(空军工程大学信息与导航学院 西安 710077)

1 引言

2008年，Landy等人[1]提出了一种超薄、结构简单、吸波率接近100%的超材料吸波体，并实验验证了其良好的吸波效果，引起研究人员的极大兴趣并积极展开研究，其电磁特性也不断得到改善，如提高入射角稳定性[2-4]、极化稳定性[5-7]、增加吸波频带(双带/多带)[8-10]和扩展吸波带宽[11,12]等。这类吸波体的工作机理是通过优化设计超材料的结构模型，调控超材料单元的电谐振和磁谐振，使ε(ω)=μ(ω)，实现吸波材料与自由空间的阻抗匹配，降低入射波的反射率，并利用结构单元的介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收。与文献[13-15]提出的基于超材料的吸波材料相比，这类吸波体最大的优势在于不需加载集总电阻作为损耗层，就可实现接近100%的吸波率。

吸波材料最重要的应用方向之一是目标隐身，但已有研究文献都仅分析了此类新型吸波材料的吸波特性，却没有具体分析其在雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)减缩中的应用。尤其在当前天线带内RCS减缩成为研究的难点和热点[16]，降低天线的RCS对于减小目标系统的总RCS具有重要意义。而此类吸波材料超薄、高吸波率和无表面损耗层的特点，使其非常适合于隐身天线的设计。针对此问题，本文设计了一种高吸波率、极化不敏感、宽入射角的超薄吸波材料，从等效电路和表面电流、电场分布两个角度分析了其吸波机理，并将其用于波导缝隙天线设计，在保证天线辐射性能的同时，减缩天线带内RCS。

2 超薄吸波材料设计与分析

2.1 结构设计与分析

如图1所示，设计的吸波材料是在金属基底的介质板上周期刻蚀方形金属贴片而构成的3层式结构。上层金属贴片的中心被挖去一旋转了 45o角的方形，下层为完整的金属板，中间的介质基板为环氧玻璃布板(FR4)，介电常数εr=4.4，损耗角正切tanδ=0.02。这样对称地设计结构，可以使其对任意极化的入射波都能产生谐振。其他结构参数为：单元周期W1=10 mm，金属环边长W2=9.6 mm，挖掉方形边长W3=4.2 mm，介质厚度h=0.3 mm(约为λ/175,λ是5.64 GHz的自由空间波长)。

图1 超材料吸波体结构示意图

依据传输线理论，建立该结构的等效电路模型如图 2。当电磁波垂直入射到吸波体表面时，表面阻抗可以等效为容性的贴片阵、损耗层和感性的地板并联，分别用Zs,Ys表示表面阻抗和导纳，则

图2 等效电路图

式中ω为入射波的角频率，L1和C分别为贴片的等效电感和电容，R为介质和欧姆损耗，L2为金属背衬介质层的等效电感，可由式(2)计算[15]：

图2所示的电路发生谐振，此时

设自由空间波阻抗为η0，对于垂直入射的平面波，吸波体的表面反射系数为

可以看出，通过适当地设计吸波体的结构模型，使谐振时吸波体的损耗R与η0相匹配，即可实现入射波零反射，而吸波体底层连续的金属薄膜保证了无透射，进入吸波体的电磁波在损耗R的作用下将被完全吸收。

2.2 实验验证

图5给出了电磁波垂直入射时，吸波体上下表面在谐振点的电场和电流分布。表面电场分布表明：入射电磁波的电场分量与上层贴片左右两侧的金属臂产生了电偶极子响应[18]，在贴片的两端形成了两个电极(如图 5(a))，同时，这两个电极又与金属地板强烈的耦合(如图 5(b))，形成了类似于 LC的谐振回路，从而产生了电谐振；表面电流分布表明：入射电磁波的磁场分量穿透上层金属，在上下两层金属之间产生水平方向的磁谐振[18]，相应地在上层金属贴片的上下端及对应的金属地板上激发出反向平行的电流(如图5(c)-5(d))，电谐振和磁谐振同频产生，使得吸波体能够几乎100%地吸收入射波的电场和磁场能量[19]。

3 利用超薄吸波材料减缩缝隙天线RCS

图3 吸波率随入射角的变化

图4 吸波率实测仿真对比

图5 电场电流分布图

利用吸波材料减缩天线带内 RCS的关键在于不影响其辐射性能。为实现这一点，在设计加载方式时，使吸波材料与天线辐射缝隙之间保持一定的距离，如图6所示。天线的口径为120 mm×120 mm，缝隙尺寸为26 mm×2 mm，馈电波导采用C波段的标准波导(国标型号：WJB-58)，宽边长40.4 mm，窄边长20.2 mm。

图6 加载吸波材料天线示意图

表1比较了加载吸波材料前后天线辐射性能的仿真结果。从表中数据可知，采用图6所示的加载方式，对天线的回波损耗和增益影响都不大，表明保证了天线的辐射性能。为证实这一点，加工了实际的天线，并将采用电路板刻蚀技术制作的吸波材料按图6进行加载，其实物照片如图7。利用Agilent N5230C矢量网络分析仪和远场测量法，分别观测了加载前后天线的回波损耗曲线、归一化方向图，结果对比如图 8。可见，加载吸波材料后，天线辐射性能得到了较好的保持，结果与表1基本吻合，只是谐振频率向高频偏移了20 MHz，分析认为这是由于加工误差所致。实验结果进一步证实了设计的正确性。

表1 天线辐射性能仿真结果

图7 加载吸波材料天线实物图

图8 实测结果对比

分别用TE和TM极化的平面波照射天线，图9给出了法线方向单站RCS的减缩曲线。可以看到，在5～6 GHz频段内，天线RCS均有减缩，对于TE极化的情况，RCS在5.48～5.68 GHz减缩达3 dB以上，最大减缩13.9 dB；对于TM极化的情况，RCS在5.48～5.71 GHz减缩达3 dB以上，最大减缩14.8 dB。图10对比给出了平面波从不同角度照射加载前后天线的RCS结果。从图中结果可知，加载吸波材料对天线法线方向RCS抑制明显，两种极化下RCS减缩分别达16.2 dB和17.6 dB，且对TE和TM极化，RCS分别在-21o～21o和-21o～23o减缩超过3 dB。RCS减缩效果验证了设计吸波材料的稳定性。

4 结束语

本文设计了一种最大吸波率达 99.9%、厚度仅为λ/175且具有极化不敏感、宽入射角特点的雷达吸波材料，并从等效电路和电场、电流分布两个角度分析了其吸波机理。将这种材料加载到波导缝隙天线上，结果表明：与加载前相比，天线的回波损耗和增益几乎不变，对TE极化和TM极化入射波，在-21o～21o角域，天线带内RCS减缩均在3 dB以上，法线方向RCS减缩最大超过17 dB。验证了这种新型吸波超材料可以用于波导缝隙天线的带内同极化隐身。

图9 两天线扫频RCS对比

图10 两天线扫角RCS对比

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