基于频率选择表面的多功能隐身雷达天线罩的研究

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随着各种高科技技术和探测技术在军事中的应用,降低武器装备等被发现的概率,提高其在现在化战场中生存能力的需求显得尤为迫切。被称为低可探测技术的隐身技术可以改变或减少目标的可探测信息从而降低其被敌方探测系统发现的概率。一般隐身技术以雷达隐身为主,因为位于武器或飞行器上的雷达天线是电磁波的主要散射源。因此,设计兼具传输和隐身功能的雷达天线罩对于降低目标的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)、提高目标的生存能力,具有重大的战略性意义。对于用于飞行器隐身的雷达罩来说,理想的情况是在雷达天线的工作频带内罩体对雷达而言是透明的,而在工作频带外潜在的入射波可以被罩体反射到其他方向或者完全吸收。具有带通性质的频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)相较于传统的天线罩可实现对电磁波的选择性透过,它能够将位于雷达工作频带外的入射波反射到其他方向,大幅度的提高了雷达系统的隐身效果。但是对于FSS反射带外来波的隐身方式而言只对于降低单站雷达的RCS起作用,当有多个雷达探测站时,FSS反射到各个方向的电磁波很容易被其他位置的探测站点接收从而暴露了目标的位置。此时,由吸波/透波一体化超材料构成的雷达罩能够在天线的工作带外基本吸收外界的所有来波,使得各个位置的雷达探测站都无法接受到探测波的回应。这对于降低多站RCS、提高武器装备的隐身性能有着至关重要的意义。本文介绍了基于FSS的各种多功能雷达天线罩的设计过程和分析方法,其中包括频率可重构FSS和吸波/透波一体化超材料。对于吸波/透波一体化超材料而言,我们研究和设计了2D结构的频率选择性可吸收雷达罩(Frequency Selective Rasorber,FSR)并在此基础上提出了一种新型的基于2D和3D混合结构的超宽带吸波器和几种具有不同吸收/传输性能的FSR。本文的主要工作如下:1.首先,基于电路模拟吸波器(Circuit Analogue Absorber,CAA)原理设计了两款2D结构的吸波/透波一体化超材料。其中包括低频透波/高频吸收雷达罩和具有宽带传输窗口的低频吸收/高频透波雷达罩。所设计的两款雷达罩单元周期较小且厚度较薄,可以更好的满足实际应用的需求。2.在2D吸波/透波一体化超材料的基础上,设计了2D和3D混合结构的低频透波/高频吸收FSR。所提出的新型FSR具有3D结构的损耗上层和2D结构的带通下层,其整体尺寸仅为0.11λ0×0.11λ0×0.071λ0(λ0为传输带中心频率对应的自由空间波长),因此具有很好的角度稳定性。同时我们利用等效电路方法分析了该混合结构FSR的工作原理并验证了该等效电路的有效性。此外,我们还设计了一款通带可以在宽带范围内进行调谐的带通FSS。通过对该FSS中加载的变容器二极管施加不同的偏置电压,其通带的中心频率可以在C波段到Ku波段之间变化。最后,我们将低频透波/高频吸收FSR的3D损耗层和频率可调FSS相结合,设计出了一款传输频段可调的FSR。所设计的具有传输频段可重构功能的吸波/透波一体化超材料可以更好的应用在复杂多变的电磁环境中。3.以2D和3D混合结构为基础,结合多谐振单元设计了具有超宽吸收频带的小型化吸波器CUWA(Compact Ultra Wideband Absorber)。所设计的CUWA具有144%的吸收带宽和0.10λL×0.10λL×0.11λL(λL为最低吸收频率所对应的空气中的波长)的小巧体积,符合实际中对吸波器厚度更薄、吸收带宽更宽的需求。同时,我们对该CUWA超宽吸收频带内的每个谐振点产生的原因做出了详细的分析,为设计同类型的超宽带吸波器提供了理论指导。4.通过在构成CUWA的高频谐振单元上插入开口谐振环(Split Resonant Ring,SRR),并结合低频谐振单元形成多谐振结构,设计了一个具有超宽吸收带和带内通带的小型化FSR,即CUWFSR(Compact Ultra Wideband Frequency Selective Rasorber)。为了进一步优化传输性能,我们设计了四分之一波长的高频短路枝节来抑制低频谐振单元在高频所产生的吸收,从而降低了CUWFSR传输带内的插入损耗。改进后的CUWFSR其S11小于-10d B的带宽约为137.3%,传输窗口内的最小插入损耗仅为0.59d B,相比之前下降了1.2d B。除此之外,其通带上、下两侧的吸收率基本在90%以上。改进后的CUWFSR同时结合了两种在吸波频带内产生传输窗口的方法,它为设计低损耗多谐振结构的超宽带FSR提供了一个新的思路。
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