一种双频超薄吸波结构在微带天线中的应用_高军_张浩_曹祥玉_杨欢欢_杨群_李文强

1 引言
自从 2001 年 Smith 等人[1]首次通过实验研制出了在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的左手材 料以来，电磁超材料(Metamaterial)引起人们的广泛关注。超材料是一种新型的人工电磁材料，通过周期性 的亚波长结构设计， 可以实现如负折射[2]、 完美透镜[3]、 隐身斗篷[4]等许多常规材料所不能实现的奇异特性， 同时超材料还具有电磁波完美吸波特性，能够有效吸收入射电磁波。这种吸波特性引起人们极大的兴趣，
Dual-band ultra-thin metamaterial absorber and its application in reducing RCS of microstrip antenna
GAO Jun, ZHANG Hao, CAO Xiangyu, YANG Huanhuan, YANG Qun, LI Wenqiang
L2 L3
Patch 1 Patch 2
L4
h2
Floquet 端口
L5
L2 L3 L6 L1
Patch 4
金 属 贴 片
L4
金 属 底 板
Master/Slave 边界条件
Master/Slave 边界条件
L5
Patch 3
金 属 贴 片
金属底板
单元结构
(a) 俯视图
(c)
(b) 侧视图 图1 单元结构示意图
______________________________ 收稿日期：2013-09-09 网络出版时间： 2014-05-14 09:37 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61271100)；陕西省自然科学基金资助项目(2012JM8003) 作者简介：高军，男，教授，E-mail:gjgj9694@ 网络出版地址： /kcms/doi/10.3969/j.issn.1001-2400.2015.01.021.html
（a）贴片电场
（b）底板电场
（a）贴片电场
（b）底板电场
（c）贴片电流
（d）底板电流
（c）贴片电流
（d）底板电流
(a) 4.26GHz 图 3 电场电流分布
(b) 6.53GHz
3 超材料减缩双频微带天线 RCS
3.1 双频微带天线设计及吸波材料的加载 双频微带天线结构如图 4(a)所示。该天线在普通微带天线靠近辐射边处加载了细长缝隙，通过天线辐 射边和缝隙辐射的 TM10 模式和 TM30 模式实现双频带工作[11]。该微带天线采用聚四氟乙烯玻璃布板，介 电常数为 r 2.65 ，损耗角正切 tan 0.01 ，其结构参为：a=109mm，b=20mm，c=0.5mm， d=0.5mm， e=0.5mm，l=2.7mm，h=1mm。其工作频点分别为 4.29GHz 和 6.49GHz。
(d)
(c) 仿真图
定义反射率 R S11 ,透射率 T S21 ，吸波率可以表示为 A 1 S11 S21 。因为该结构底层为金 2 属板，没有电磁波透射，故 S 21 0 ，则吸波率可以简化为 A 1 S11 。图 2 表示了该结构在 TE 和 TM 电
2
2
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第1期
张浩等：一种双频超薄吸波结构在微带天线中的应用
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2008 年 Landy 等人[5]利用超材料的电磁耦合谐振特性，首次提出了由电谐振器、损耗介质和金属微带线构 成的具有完美吸波特性的吸波结构。和其它吸波结构相比，该结构具有结构简单、超薄、无需加载集总电 阻且易实现红外和太赫兹频段吸波的特点，受到广泛关注。这种结构的电磁特性也不断得到改进，如改善 入射角稳定性[6-7]、改善极化稳定性[8-9]、增加吸波频带[10]。 随着无线通信技术、雷达技术以及传感器技术的飞速发展，系统对天线的多频化和宽频化提出越来越 高的要求。同时天线对系统雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)影响较大的问题日益突出[11]。RCS 是 目标在平面波照射下，沿给定方向上散射功率的一种度量，是雷达探测技术、隐身和反隐身技术中表征目 标可识别特性的重要参数[12]。为了减缩多频带和宽频带天线的 RCS，需要加载相应的吸波结构。传统吸波 技术会削减天线的辐射性能，一般不能直接用于天线系统。因此，需要设计新的吸波结构用于抑制天线的 散射。 本文针对双频微带天线的 RCS 减缩， 设计出一种新型的双频带完美吸波结构。 该吸波结构能在两个不 同频带内实现高效吸波，同时还具有宽入射角以及极化角稳定等特性。对该结构进行仿真，提取了阻抗参 数，分析了其表面电场和电流分布，并阐明了该结构的吸波原理。将该结构加载于双频微带天线，用于减 缩其带内 RCS，其中微带天线的工作频带与吸波结构的吸波频段相同。仿真和实测结果表明，加载该吸波 结构后，微带天线的辐射性能保持不变，而在两个工作频带 4.29GHz 和 6.49GHz 处，其带内 RCS 得到大 量减缩，说明该吸波结构能有效抑制双频微带天线的带内散射。
2 超材料吸波体设计与分析
本文提出的新型双频带完美吸波结构如图 1 所示。该结构由三层组成：底层金属底板，中间介质以及 顶层四个挖了方形槽的金属贴片。为了方便，将四个贴片分别命名为 Patch1、Patch2、Patch3、Patch4，其 中 Patch1 和 Patch4 具有相同的结构尺寸，而 Patch2 和 Patch3 具有相同的尺寸。相同的金属贴片能够产生 相同的谐振，因此两个对角金属贴片能够产生两种不同的谐振，从而实现双频吸波。调节金属贴片参数， 能够改变谐振的频率和吸波率。该结构金属部分为铜，其电导率 5.8 10 7 s / m ，损耗介质层为 FR4， 介电常数 r 4.4 ，损耗角正切 tan 0.02 。对于入射的电磁波，在金属贴片及金属底板表面会激励起感 应电流，从而产生电响应和磁响应，即可实现等效的相对电磁参数 () 和 () ，形成电磁谐振，同时利 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。通过结构优化，可以使 ( ) ( ) ，实现 吸波材料与自由空间的阻抗匹配，从而降低入射电磁波的反射率，提高吸波效率。采用基于有限元法的 HFSS12 软件，通过设置 Master/Slave 边界条件以及 Floquet 端口，模拟无限周期结构，对该结构进行仿真 优化， 如图 1(c)所示。 得到具体结构参数为： L1=21.8mm， L2=10.66m， L3=1.65mm， L4=10.6mm， L5=7.2m， L6=5.45mm，h2=0.5mm(厚度约为 / 140 , 是电磁波频率为 4.26GHz 时对应的波长)。
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(b) 不同极化角
为了更好的研究该结构的吸波机理，分析了谐振时表面电场和电流分布。图 3(a)表示吸波频率为 4.26GHz 时的电场、电流分布，图 3(b)表示吸波频率为 6.53GHz 时的电场、电流分布。由图可得，在不同 谐振频点，其电场、电流分布有所不同。低频谐振时，谐振主要集中于贴片 Patch1 和 Patch4 以及与之相应 的金属底板； 而在高频谐振时，谐振主要由贴片 Patch2 和 Patch3 以及与之相应的金属底板产生。 但无论低 频还是高频谐振，其吸波原理相同，即在入射电磁波电场分量作用下，沿水平方向，产生谐振的贴片两端 汇聚了两个电极，激励起电偶极子谐振；而入射电磁波磁场分量则穿透上层金属，在上下两层金属之间产 生垂直方向的磁谐振，相应的在金属贴片和底板之间激励起反向平行电流。当电谐振产生的等效介电常数 （） 和磁谐振产生的等效磁导率 相接近时，即 （ ） （）= ( ) 时，可以实现完美吸波[13]。
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西安电子科技大学学报（自然科学版）
第波率。 由图可得， 对于垂直入射的电磁波， 在 4.26GHz 和 6.53GHz 处， 该结构的吸波率分别达到了 98.7%和 99.8%。而当电磁波的入射角和极化角发生改变时，吸波率变化不大， 表明该结构具有入射角稳定性和极化角不敏感性。
2015 年 2 月 第 42 卷 第 1 期
西安电子科技大学学报（自然科学版） JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY
Feb.2015 Vol.42 No.1
doi：10.3969/j.issn.1001-2400.2015.01.021
一种双频超薄吸波结构在微带天线中的应用
高 军，张 浩，曹祥玉，杨欢欢，杨 群，李文强
（空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077）
摘要：本文设计了一种新型超薄双频带雷达吸波结构，通过提取阻抗参数、分析表面电场和电流分布，阐明 了其吸波原理，并将其用于双频带微带天线，减缩天线带内雷达散射截面（RCS） 。结果表明，该结构在两个 不同的频段内实现了高效吸波，且吸波效果具有入射角稳定性和极化角不敏感性；加载该吸波结构后，微带 天线的辐射性能保持不变， 而在天线的工作频率 4.29GHz 和 6.49GHz 处， 其 RCS 分别减缩了 8.59dB 和 9.9dB。 实测与仿真结果相吻合，表明该结构能够有效应用于双频带天线的带内隐身。 关键词：超材料吸波体；双频带；微带天线；雷达散射截面；超薄 中图分类号： TM15 文献标识码： 文章编号：1001-2400(2015)01-0142-07
(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi'an 710077, China) Abstract: In this letter, a novel ultra-thin dual-band metamaterial absorber is designed. Its absorbing mechanism is illuminated by calculating the effective impedance and analyzing the electric fields as well as currents distributions. Then the absorber is applied to dual-band microstrip antenna to reduce its in-band RCS (Radar Cross Section). The results show that this absorber achieves high absorption in two frequency bands, moreover, its absorbing properties is incident angle insensitive and polarization independent, when loaded to dual-band microstrip antenna, it can reduce antenna’s RCS by 8.59dB and 9.9dB at 4.29GHz and 6.49GHz respectively, which are the working frequencies of the dual-band antenna, and has less influence on the in-band radiation performance. There is a good agreement between simulated and measured results, showing that this absorber can be used for the improvement of dual-band antenna’s in-band invisibility of antenna. Key words: Metamaterial absorber; Dual-band; Microstrip antenna; RCS; Ultra-thin