文献阅读4|一种基于混合机制的超宽带低RCS圆极化天线阵

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今天分享一篇采用混合机制降低带内和带外RCS的圆极化天线阵的AP文章。

摘要：提出了一种基于吸收和相位相消混合机制的带内带外低雷达截面（RCS）圆极化(CP)天线阵。天线散射减缩单元是频率选择性吸收极化转换器（FSAPC）单元，其包括级联布置的电阻性超表面（RM）单元、四个频率选择性表面（FSS）单元和四个极化转换超表面（PCM）单元。RM采用由金属环和平行线组成的并联谐振结构，在吸收带外电磁波的同时为辐射创建带内传输窗口。修改后的PCM配置被安排在一个对角配置与切割圆弧，并提供两个不同的功能。首先，它将带内入射的共极化分量转换为交叉极化分量。其次，电场的分解使金属正方形能够促进天线辐射波从线极化到圆极化的转换。此外，逆时针馈电网络的实现有望提高圆极化性能。为了验证FSAPC结构的功能特性，基于双端口等效电路原理和耦合器理论，从场和路两个维度对FSAPC结构的组成单元和FSAPC单元的特性进行了阐述和研究。此外，缝隙天线阵列直接与FSAPC的金属反射器集成在棋盘配置中，从而能够实现期望的辐射性能。仿真和测量结果表明，基于FSAPC的天线阵列是能够实现良好的左旋CP辐射特性，也善于在5.73-17.5 GHz范围内减少超过10 dB的RCS。结果表明，该天线阵列能够同时实现隐身和辐射功能，使其成为集成到现代武器平台的合适候选者。

关键词：圆极化（CP）天线，频率选择性极化转换器（FSAPC）结构，雷达截面减小，隐身和辐射功能

一、引言

近年来，雷达探测技术取得了显著的进步，这使得武器和设备隐身的难度大大增加。为了提高我们军队的生存能力，必须研究降低雷达截面（RCS）的潜力。作为通信设备中用于发射和接收电磁波的设备，天线通常是主要的散射源。因此，对天线散射抑制的研究至关重要。鉴于X波段在雷达、通信和无线电中的广泛应用及其在军事领域的普遍性，值得注意的是，大多数探测雷达都在X波段内工作。因此，如果一种设计能够将隐形性能与天线在频带内保持良好的辐射特性相结合，将具有相当大的战略和潜在的军事意义。人们普遍认为，天线的带内RCS由其自身性能决定，而带外RCS反映了天线及其外部天线罩的综合性能[1]。为此，研究人员投入了大量精力开发降低天线RCS的技术。设计的结构可以直接应用于武器原始天线的表面，在某些情况下，也可以应用于其上方，以实现天线RCS的预期降低。具有特定电磁特性的吸收超材料[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]，通常由频率选择性吸收器（FSA）或频率选择性吸收器（FSR）表示，可以通过吸收天线表面的带外入射波来有效减少电磁反射，从而实现RCS降低（RCSR）。为了实现多频带吸收波，Shi和Liu[4]设计了一种多层FSA，包括两个类似的有耗层——低通和双带通多层FSS——以自上而下的顺序排列，产生三个波吸收和两个传输窗口的功能。Xia等人[6]设计了一种双有损层设计，其中FSR是通过在无损层上堆叠两个有损层并用两个空气空间将其隔开而构建的。这种配置实现了两个独立的吸收带，从而获得了更宽的吸收带宽。除了吸波结构外，超表面还可以通过操纵电磁波的相位以及偏振成像[11]、光学模拟处理功能[12]和在非线性器件中的使用[13]来降低RCS。特别值得一提的是，最后一点值得进一步讨论。在[13]中，研究人员发现纳米粒子可以进入具有更高动量的模式，这增强了局部场强的非线性光-物质相互作用，增强了二次谐波的产生，为基于超表面的宽带非线性器件的各种重要技术提供了一种有效而稳健的方法。然而，作为操纵电磁波相位的有效手段，研究基于超表面的反射相位抵消作为降低RCS的一种手段的潜力将是有益的。元曲面被划分为几个网格，每个网格都包含一些以镜像对称方式排列的周期性单元。这些单元产生振幅相同但相位相反的反射波，从而消除了金属平面散射的远场。网格中的周期性单元可以使用人工磁导体（AMC）[14]、[15]、极化转换超表面（PCM）[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]等构建。在[14]中，利用两个AMC和全息超表面之间的相位抵消来实现宽带RCSR。在[21]和[23]中，提出了一种新型鱼骨型PCM单元，通过棋盘式结构设计将入射波转换为交叉极化波，从而实现RCSR。它们近乎完美的蜂窝结构使RCS在某些频带内得以降低。然而，上述结构都没有为天线设计的辐射功能。

此外，由于其紧凑的设计、宽的工作带宽和高增益，人们对基于元表面的集成低RCS天线阵列越来越感兴趣，这些天线阵列在将信号传输到自由空间的同时具有隐身性能。在天线的各种极化中，圆极化（CP）波因其在电子对抗领域的有利特性而受到广泛研究。这些包括它们接受任意极化的能力和强大的抗干扰能力。因此，它们已被用于一系列应用，包括信号隐蔽传输和干扰抑制。关于CP天线与超表面的结合，已经进行了大量的研究。在[26]中，利用L形槽和微带线以90◦ 从而根据特征模理论的原理实现CP辐射。王等[27]提出了一种配备聚焦元表面的高增益双向CP微带贴片天线系统，该系统可以实现8.15 GHz的传输模式和14.8 GHz的反射模式。因此，这为双模辐射和高速通信系统提供了一种有效的解决方案。除了上述两个经典之外，作者[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]还提出了由蚀刻在PCM金属接地板上的缝隙天线组成的CP阵列天线。相比之下，Sun等人[35]、Ta和Park[36]以及Wang等人[37]、[38]直接使用结构表面的金属表面作为CP天线的辐射器，展示了他们方法的创新。然而，它们在窄带中运行，其性能极易受到频带外低频和高频信号的干扰。因此，采用更新的机制来实现超宽带中带内和带外RCS的减少尤为重要。

考虑到前面的研究和上述分析，可以假设，利用混合机制来减轻天线阵列的RCS是一个值得研究的课题，同时保持天线的CP辐射性能。这将确保超宽带RCS的降低和辐射性能的稳定。此外，必须加强这一领域的研究。本文提出了一种通过构建采用相位抵消和吸收混合机制的频率选择性吸收器极化转换器（FSAPC）来实现天线RCSR的新方法。所提出的FSAPC结构在RM和PCM的通带范围内引入了极化转换反射带，从而实现了天线辐射带两侧的带外吸收特性和带内极化转换。此外，FSAPC采用棋盘配置来实现带内相位抵消。同时，基于FSAPC的缝隙天线阵列能够产生CP波，从而有助于提供带内和带外隐身以及带内辐射功能。同样值得注意的是，基于电路理论，对包括FSAPC和FSAPC的各个结构单元的工作原理进行了分析。这使得从现场和电路的角度对整个结构进行全面系统的说明成为可能，强调这两个分析维度在类似研究中很少得到体现。

二、主要内容

1、工作原理

图1描述了低RCS CP天线阵列的工作原理。该结构包括RM层、宽带FSS层和PCM层，形成从上到下级联的FSAPC单元。CP天线阵列由四个缝隙天线的逆时针馈电网络构成，这些缝隙天线被蚀刻到PCM的金属反射器中。如图1（a）所示，当天线发射信号时，RM、FSS和PCM被用作辐射结构。PCM结构负责将缝隙天线产生的线极化波分解为两个具有π/2相位差的正交分量，从而形成CP波。由于RM的传输频率与天线的发射频率相同，CP波既不被吸收也不被反射，从而确保天线阵列在自由空间中的最佳辐射性能。图1（b）说明了RCS降低的运行机制。空间反射波可以表示为共极化和交叉极化分量波的总和。如果极化电磁波入射到表面上，天线工作频带外的波的能量会被RM吸收。在天线的工作频率内，RM和FSS层允许入射波穿过，PCM将入射波转换为反射的交叉极化波。此外，FSAPC单元的棋盘结构能够形成180°反射镜结构内的反射相位差。因此，带内和带外RCS都显著降低。

2、超表面单元结构

图2显示了基于F4BM材料（相对介电常数εr=2.65）构建的拟议FSAPC几何形状，RM、FSS和PCM通过气腔彼此隔开。其中RM层包括与外部和内部金属环互连的平行金属线，叠加了四个电阻器（电阻R为200Ω）。平行线和外部金属环的设计方式是构建带内传输窗口，目的是确保天线的辐射性能不会恶化。     

   ① RM层及其ECM

当y极化波垂直入射时，电流主要沿x方向分布在外部金属环和平行金属线中，在平行金属线的两侧产生y方向的电场强度。平行金属线与外部金属环形成谐振电路，形成传输窗口。RM层的等效电路(ECM)由一个集总电阻器组成，内外金属环的电感分别由L1和L2表示。RM单元间隙之间的电容由C1表示，平行金属线之间的电容则由C2表示。在通带中，L2和C2的组合有可能形成并联谐振。在较低吸收带中，由L1和C2形成串联谐振，而在较高吸收带中由L1和C1形成串联谐振。

     ② FSS层及其ECM

通带FSS由三个不同的层组成，分别位于基板的顶面、中面和底面。顶层和底层具有不同尺寸的金属单元，而中心FSS层包括蚀刻在底面上的方形金属环。所提出的结构确保了带内信号在空间中的低损耗传输，并在通带附近提供传输零点，以提高选择性和带外抑制。顶部和底部方形贴片的尺寸不相等，为了追求最佳的带内低反射特性，选择了各种不同厚度的基板。中间层与顶层和底层共振，从而形成两个传输极点，实现宽带双阶传输。

   ③PCM层 结构

PCM单元由一个具有圆形切割角的金属贴片和沿对角线的两个完整金属方块组成。小金属方块便于在PCM单元内以及PCM单元与单元之间构建等效电容，从而建立多谐振电路并扩展偏振转换带宽。当y偏振波垂直入射时，电场沿u轴和v轴分解为两个正交分量。入射电场可以表示为

反射电场可以表示为：

在式(6)中，由于ru和rv的振幅几乎相同，同时，沿u轴和v轴的反射相位差约为180°，最终产生了沿x方向的反射电场。

基于双端口等效电路和耦合器理论，PCM的工作状态可以通过正交奇数（u模式）和偶数（v模式）模式的组合作用来驱动。x和y模式可以通过对上述模式进行求和和和差分来获得。在分解这两种模式后，获得PCM层的ECM。

u极化和v极化入射波入射下PCM单元等效电路分布：

3、超表面单元的性能

①等效电路模型

②反射系数与S参数：

图14（b）显示，吸收带为5.62–7.3 GHz和13–17.97 GHz，而-1dB偏振转换带为8.34–11.82 GHz。

③吸收率与极化转化率(PCR)

如图14（c）和（d）所示，FSAPC可以实现带外超过85%的吸收率和带内95%的偏振转换性能，在带内和带外过渡区域具有优异的频率陡峭特性。

4、天线单元

如图15所示，所提出的天线单元由一个4×4 FSAPC单元组成，该单元在接地板的中心蚀刻有一个槽，在底部有一条微带馈线。PCM将水平缝隙产生的线偏振波分解为两个正交分量，两个分量形成了一个辐射到空间中的左旋CP波。

5、CP天线阵列

设计的CP天线阵列是一个棋盘式PCM结构，如图17所示。采用顺序旋转馈电，四个端口的输出相位为0° ，90° ，180° ，270°并且采用电阻器来减轻端口之间的互耦效应。

6、天线阵列性能分析

①辐射性能

回波损耗S11＜-10dB：8.1-11.5GHz

轴比AR＜3dB：8.23–10.75 GHz

②散射性能

RCS降低10dB带宽范围：5.73-17.5 GHz，最大RCS降低：在9.3 GHz时为22 dB

三、总结

本文介绍了一种采用波吸收和相位抵消混合机制的低RCS CP天线阵列。对组成FSAPC的各个单元以及FSAPC本身在现场和电路尺寸方面进行了全面分析，以确保结构性能尽可能严格。与FSAPC直接集成在棋盘布局中的缝隙天线阵列在8.1至11.5 GHz范围内表现出令人满意的CP辐射，3-dB AR带宽为8.23-10.75 GHz，最大实现增益为11.02 dBi，实现了带内和带外RCS的减少，在5.73-17.5 GHz范围内减少了10 dB以上（101.3%）。考虑到上述发现，可以得出结论，所提出的低RCS CP天线阵列适用于复杂电磁环境（如智能天线）和智能皮肤范围内的当代武器应用。