基于超表面的超宽带隐身天线罩的仿真设计.pdf

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年12月1日第46卷第23期Dec.2023Vol.46 No.230 引 言频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）是一种由周期性排列的金属片或任意几何形状的孔径元件组成的周期结构12，因其具有独特的频率选择特性而引起研究者们的广泛关注，它广泛应用于空间滤波器3、偏振器4、隐身天线罩56。在隐身领域，由于天线通常是强 散 射 源，因 此 降 低 整 个 天 线 系 统 的 雷 达 横 截 面（Radar Scattering Section,RCS）至关重要。当外部电磁波照射天线系统时，将天线工作波段外的电磁信号反射到某些方向，缩减了天线的单站 RCS。同时，FSS 天线罩对天线工作频率范围内的信号具有全传输特性，保证了工作频段内天线的正常通信。然而，这种反射带外电磁波的方法仅适用于单站雷达，对于双站或多站雷达而言并没有较好的隐身效果。近年来形成了一种结合FSS和吸波器的设计思路，它被称为频率选择性吸波体（FSA）。FSA通常能够吸收带外的入射电磁波，并且由一个传输波段来传输通信信号。FSA的概念首先在文献5中被提到，它一般由两层结构组成，即上层的吸波结构和下层的FSS结构。上层的吸波结构通常由金属结构和损耗元件构成，下层的FSS 由孔径元件组成。根据吸波波段与传输波段位置基于超表面的超宽带隐身天线罩的仿真设计熊 杰，杨宝平（黄冈师范学院 物理与电信学院，湖北 黄冈 438000）摘 要：为了减小飞行器的多基站雷达散射截面，增加天线系统的隐身功能，提出一种基于超表面的超宽带隐身天线罩模型，该模型具有低频吸收、高频传输的特性。提出的天线罩由位于上层的吸波结构和位于下层的频率选择结构组成。上层由两个型金属结构与工型金属结构组合而成，中间通过电阻元件连接，下层由“X”字型周期缝隙结构组成，每个周期结构中一个电阻层结构对应 4 个“X”字型 FSS 结构。仿真结果表明，所设计的天线罩 90%吸波率的吸波频段范围为 2.278.13 GHz，相对带宽达到112%，同时在12 GHz产生通带，其插入损耗为0.8 dB，单元尺寸为0.110.11，两片衬底基板之间的厚度仅为12 mm（0.09），实现了小型化、超薄、超宽带吸波功能的隐身天线罩设计。关键词：雷达散射截面；天线罩；吸波；超表面；超宽带；FSA中图分类号：TN82034 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）23000705Simulation design of ultrawideband stealth radome based on matasurfaceXIONG Jie,YANG Baoping(School of Physics and Telecommunications,Huanggang Normal University,Huanggang 438000,China)Abstract：An ultrawideband(UWB)stealth radome model based on matasurface is proposed,so as to reduce the radar cross section(RCS)of bistatic radar of aircraft and increase the stealth function of antenna system.The model has the characteristics of low frequency absorption and high frequency transmission.The proposed radome consists of an absorbing structure located at the upper layer and a frequency selection structure located at the lower layer.The upper layer is composed of two shaped metal structures and an Ishaped metal structure,the middle is connected by resistance elements,and the lower layer is composed of Xshaped periodic slot structures.One resistive layer structure in each periodic structure corresponds to four Xshaped FSS(frequency selective surface)structures.The simulation results show that the designed radome 90%absorbing rates absorbing spectrum ranges from 2.27 GHz to 8.13 GHz,its relative bandwidth reaches 112%,while it generates passband at 12 GHz with the insertion loss of 0.8 dB.Its cell size is 0.110.11,the thickness between two slices of substrate is only 12 mm(0.09).So far,the design of stealth radome with miniaturization,ultrathin and ultrawideband absorbing function is realized.Keywords：RCS;radome;waveabsorbing;matasurface;UWB;FSADOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.23.002引用格式：熊杰，杨宝平.基于超表面的超宽带隐身天线罩的仿真设计J.现代电子技术，2023，46（23）：711.收稿日期：20230621 修回日期：20230718基金项目：湖北省教育厅科学技术研究项目（D20222903）7 7现代电子技术2023年第46卷不同可分为三种类型，即通带位于吸波段右侧78、通带位于吸波段左侧910、通带位于吸波段之间1112。一个设计良好的FSA不仅应该吸收带外入射电磁波，而且在其通带内具有较低的插入损耗。本文提出了一种基于超表面的超宽隐身天线罩结构，该结构也被称为FSA，该FSA具有较宽的吸收带宽，其 90%吸波率的吸波范围为 2.278.13 GHz，相对带宽达到 112%。同时，在 12 GHz产生通带，其插入损耗为0.8 dB，单元尺寸为 0.110.11（为吸波带的起始频率对应的波长），两片介质基板之间空气厚度仅为12 mm（0.09），实现了小型化、超薄、超宽带FSA的设计。1 FSA模型设计与理论分析1.1 FSA模型设计本文所提出的 FSA结构如图 1所示，该结构由位于上层的电阻层和位于下层的FSS层组成，中间由空气隔开。上层为两个 型金属结构与工型金属结构组合而成，中间通过电阻元件（电阻值为 170）连接，金属结构均印制在型号为 Rogers4350B、厚度为 0.5 mm的介质板上。为了实现双极化，在上层介质板两面均印制相同的结构达到结构对称。该 FSA 的下层由“X”字型周期缝隙结构组成，每个周期结构中 1 个电阻层结构对应4个“X”字型 FSS结构。电阻层的主要功能是吸收带外的电磁波，而FSS层的功能是对带内信号进行传输。表1列出了FSA的其他相关参数。图1 FSA的单元结构 表1 FSA的单元尺寸 mmp15w10.5l14.5w20.7l22.2wr1l32s0.2l45h10.5l53h12l62.21.2 FSA模型等效电路分析为了分析 FSA的工作原理，其等效电路模型如图 2所示。根据传输线理论，支路Z1代表吸收器结构顶层的阻抗，Zh代表介质基板阻抗与两层介质基板间空气阻抗组成的叠加阻抗，Z2代表 FSS 层等效阻抗。其中：L1表示吸波层中与电阻相连的金属贴片产生的电感；电容C1表示相邻单元间在电场方向上的耦合电容；R1为模型中的集总电阻；L2和C2分别表示型结构中形成的电感和电容。图2 FSA的等效电路根据传输线理论，等效电路可通过ABCD矩阵来表示7，9：ABCD=101Z11cosjZhsin j()sin Zhcos 101Z21（1）式中：为上层介质基板与两层基板间空气的混合电长度，进一步，=h，h为上下两层间距，=2，为自由空间波长。根据ABCD矩阵可知传输系数和反射系数分别为：|s21=2|A+BZ0+CZ0+D=2|()2+Z0()Zh+Z2ZhZ2cos +j()2+Z0()Zh+Z1+Z0ZhZ2sin （2）|s11=|()A+BZ0-CZ0-D()A+BZ0+CZ0+D=|j()Z0()Z0+Z1+Z2ZhZ2+2 sin -()Z0()Z1+Z2ZhZ2+2 cos j()Z0()Z0+Z1+Z2ZhZ2+2 sin +()Z0()Z1+Z2ZhZ2+2 cos （3）下面分两种情况进行分析：1）FSA工作在通带时根据传输线理论，当 FSA工作在通带时，要求其传8第23期输系数|s21=1，反射系数|s11=0。根据公式可知，要想满足|s21=1条件，则需要使Z2为无穷大，而根据电路基本原理可知，当 FSS层在通带处产生并联谐振时，其阻抗为无穷大。进一步对|s21进行简化，即当 FSA工作在带通时传输系数可简化为：|s21=2|2+Z0Z1（4）根据公式（4）可知，为了满足|s21=1条件，可使Z1趋近于无穷大。2）当FSA工作在吸波带时当 FSA 工作在吸波带时，入射电磁波进入 FSA 后，既不透射，也不反射，电磁波全部被 FSA吸收。根据传输线理论可知，必须满足条件|s21=0和|s11=0。由于所设计的FSA通带频率远离吸波带频率，因此当FSA工作在吸波段时，FSS 层可等效为金属平面，其主要功能是对电磁波进行反射，也即|s21=0。可用公式：A=1-|s112-|s212（5）对吸波率进行描述。可见，因为底层等效为金属结构，所以|s21=0。在公式（3）中，Z2=0。|s11也可为：|s11=|-Z0Z1tan+jZ0(Z1-Z0)Z0Z1tan+jZ0(Z1+Z0)（6）也就是说，为了满足吸波条件|s11=0，可使得Z1=Z0，=4。考虑到这一点，假设有吸收频率厚度为1 4波长的间隔，并且Z1的实部接近Z0即可满足吸波要求。为了进一步分析其吸波特性，可以得到反射系数如下：=()Y0-Yin()Y0+Yin（7）式中Yin为输入导纳，为电阻层导纳和导体支承的空气隔离器导纳之和。由文献13得出：Y1=1R+j()L-1C+jLC()L-1()C=G1+jB1（8）Y2=jY0cos=jB2 （9）式中：Y1=1 Z1；Y2=1 Z2。众所周知，谐振是在输入导纳的虚部等于零时形成的，也就是说：B1+B2=0（10）由公式（10）可知，在以下两种情况下会发生谐振：1）B1=B2=0；2）B1=-B2。当电阻层虚部与混合路径虚部完全抵消时，第一谐振频率fa1发生在情形 1），而第二谐振频率fa2发生在情形2）。通过商业仿真软件 CST2019 对所设计的 FSA 结构进行仿真，其仿真结果如图 3所示。该 FSA具有较宽的吸收带宽，其90%以上吸波率频段在2.278.13 GHz，相对带宽达到 112%。同时，在 12 GHz处产生通带，其插入损耗为0.8 dB。图3 FSA仿真结果2 FSA的仿真结果与分析2.1 FSS层透波仿真分析根据上一节中等效电路模型的分析，FSS层主要由周期缝隙结构构成，其等效电路可用电感电容并联来等效。根据电路理论，电感电容并联谐振频率可用下面公式进行计算：fc=1()2LC（11）对于FSS层透波结构，可以通过改变缝隙长度l6对透波谐振频率进行调节。图4中显示FSS层中l6参数对透波谐振频率的影响。从图中可知，l6越大，谐振频率越低。图4 不同l6参数的FSA的S参数仿真结果熊 杰，等：基于超表面的超宽带隐身天线罩的仿真设计9现代电子技术2023年第46卷2.2 FSA结构的吸波效果仿真由于吸波频段与透波频段相距较远，因此，在吸波段时，FSS层可以等效为金属地。根据公式（6）可知，电阻与 FSS层相距为1 4工作波长。通过调节电阻R1的值从而可以调整整个系统的阻抗匹配性能。通过图5可以看出，电阻越大，吸波效果越好，即匹配性越好。但电阻越大，传输带的插入损耗也偏大，而且电阻大到一定程度时吸波带宽开始减小。通过仿真软件进行电阻参数扫描，并结合传输带与吸波带综合考虑，电阻值选170。图5 不同电阻值的FSA的S参数仿真结果影响吸波性能的另一个参数是S，即改变S值就是改变相邻单元间在电场方向上的耦合电容值。从图 6中可以看出，参数S主要影响的是吸波段中的低频部分，这与公式（10）中分析的其中一种情况相符合，即B1=B2=0。通过改变参数S相当于改变了电路中电容值，从而改变低频处的谐振频率偏移。图6 不同参数S的FSA仿真结果2.3 FSA结构的角度稳定性在实际应用中，通常入射电磁波不是垂直入射进入FSA，因此研究不同角度入射电磁波是有必要的。所设计的模型由于设计的尺寸较小，而小周期尺寸便于加载到复杂形状的天线罩上，并能减弱光栅波瓣的影响。同时，因为设计时采用的是对称结构，因此该模型的角度稳定性较好。图 7a）、图 7b）分别在 TE 极化波和 TM 极化波入射条件下，依次考虑入射角为 0、15、30时 FSA模型对角度的敏感性。从仿真曲线中可以看出设计的FSA在角度为30时仍能保持较好的透波和吸波效果。图7 不同极化条件下FSA的反射/透射系数2.4 FSA结构的电流分布分析为了进一步分析FSA的性能，对所设计的FSA结构的电流分布进行了分析。图 8a）为顶层电阻层的电流分布，图 8b）为底层 FSS 层的电流分布，从图中可以看出，在频率f1=2.9 GHz和频率f2=7.2 GHz时，FSA主要谐振结构为工型结构与 型结构共同形成，且在f1和f2时，底层不激发电流。在f3=12 GHz 时，电阻层电流较弱，而底层的“X”型结构电流较强，也就是说，在f3频率时FSS达到了谐振。2.5 FSA仿真结果对比为了说明 FSA的优势，表 2为本文设计的 FSA与其他文献中提出的 FSA 的对比分析，分别对通带中心频率、插入损耗（IL）、90%吸波带宽及其相对带宽、单元尺寸和单元结构厚度进行了对比。通过对比表 2中参考文献的数据可知，本文设计的10第23期基于创新的FSA结构具有较宽的吸波带宽，并且在单元尺寸和厚度上均有优势。该结构的不足之处是通带处的插入损耗较高，达到0.8 dB。图8 FSA结构的电流分布表2 FSA的仿真结果对比文献文献14文献15文献10ours注：是吸波带最低频率对应的波长。通带/GHz/插入损耗/dB9.45(1.5)9.7(0.5)12.76/0.6512/0.8吸波带宽（FBW）2.78.3（102%)2.88.3（99%)6.110.9（57%）2.278.13（112%）尺寸0.160.170.190.190.380.190.110.11厚度0.110.110.10.093 结 论本文提出了一种基于超表面的超宽吸收带宽的FSA 设计模型。上层由两个 型金属结构与工型金属结构组合而成，中间通过电阻元件连接。为了实现双极化，在上层介质板两面均印制相同的结构达到结构对称。该 FSA的下层由“X”字型周期缝隙结构组成，每个周期结构中1个电阻层结构对应4个“X”字型FSS结构。该 FSA的通带中心频率在 12 GHz，插入损耗为 0.8 dB，其 90%吸 波 范 围 在 2.278.13 GHz，相 对 带 宽 达 到112%。该 模 型 结 构 具 有 较 小 的 单 元 尺 寸，尺 寸 为0.110.11，同时具有较小的厚度，两片衬底基板之间的厚度仅为12 mm（0.09），实现了小型化、超薄、超宽带FSA的设计。本文对影响透射/反射系数的几个重要参数进行了叙述，给出了FSA的电流分布，对不同角度入射电磁波也给出了分析。该FSA通过吸收带外的入射电磁波能够降低双基站雷达散射截面，具有较好的隐身功能。参考文献1 罗国清，俞伟良，俞钰峰.频率选择雷达吸波体研究进展J.微波学报，2020，36（1）：124130.2 段坤，唐守柱.X波段 30 dB吸收的吸波体结构J.电子测量技术，2020，43（2）：1620.3 李倩南，王青，张辉，等.应用于无线局域网的小型化带阻频率选择表面J.现代电子技术，2022，45（24）：4447.4 MEDAGEDARA M H,PEIRIS T T S,WANASEKARA N D.Review of recent advances in noninvasive,flexible,wearable sweat monitoring sensors J.Instrumentation,2020,7(2):3650.5 丁武伟，赵文普.用于弹载雷达天线罩测试的微波接收机设计J.电子测量技术，2016，39（1）：4953.6 YU Q,LIU S,MONORCHIO A,et al.A miniaturized high selectivity frequency selective rasorber based on subwavelength resonance and interdigital resonator J.IEEE antennas and wireless propagation letters,2019,18(9):18331837.7 COSTA F,MONORCHIO A.A frequency selective radome with wideband absorbing properties J.IEEE transactions on antennas&propagation,2012,60(6):27402747.8 CHEN Q,SANG D,GUO M,et al.Miniaturized frequencyselective rasorber with a wide transmission band using circular spiral resonator J.IEEE transactions on antennas&propagation,2019,6(2):10451052.9 XIONG J,WU Y,MAO Y,et al.Novel frequencyselective rasorber with ultrawide absorption bandwidth covering both the X and Kubands J.Electronics,2020,9(9):1449.10 GUO M,SUN Z,SANG D,et al.Design of frequencyselective rasorbers based on centrosymmetric bendedstrip resonator J.IEEE access,2019,7:2496424970.11 LI R M,HU H Q,TIAN J,et al.Switchable rasorber with highorder frequency selective surface for transmission bandwidth extension J.Microwave and optical technology letters,2021,63(6):17051711.12 ZHANG K,JIANG W,GONG S.Design bandpass frequency selective surface absorber using LC resonators J.IEEE antennas&wireless propagation letters,2017,16(1):25862589.13 L Q,JIN C,ZHANG B,et al.Hybrid absorptivediffusive frequency selective radome J.IEEE transactions on antennas and propagation,2021,69(6):33123321.14 CHEN Q,YANG S,BAI J,et al.Design of absorptive/transmissive frequency selective surface based on parallel resonance J.IEEE transactions on antennas and propagation,2017,65(9):48974902.15 CHEN Q,CHEN L,BAI J,et al.Design of absorptive frequency selective surface with good transmission at high frequency J.Electronics letters,2015,51(12):885886.16 杜欣，孙运强，杨瑞.圆形相控阵波束形成及干扰抑制J.国外电子测量技术，2020，39（11）：5256.作者简介：熊 杰，博士，副教授，主要从事频率选择表面、智能超表面等方面的研究工作。杨宝平（1980），博士，讲师，主要研究方向为智能超表面。熊 杰，等：基于超表面的超宽带隐身天线罩的仿真设计11