用于超宽带RCS减缩的人工电磁超表面的研究与设计

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随着雷达探测技术的不断发展,各种电磁设备尤其是军用设备对电磁隐身技术的需求越来越高。在日益复杂的战场电磁环境中,在宽频带内具有低雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)特性的飞行器、舰船等设备的生存能力和战斗能力将得到显著提高。近年来,超表面以其剖面低、易共形、设计灵活等特点,成为隐身技术领域的研究热点,将RCS减缩超表面加载于飞行器、舰船等设备的外侧,能够有效提高其隐身性能,然而,如何在更宽频带内实现RCS减缩仍然是亟待解决的问题。天线是无线通信系统中必不可少的器件,承担着收发信息的重要作用,而反射型超表面在降低天线RCS的同时往往会影响到它的辐射性能,因此,在不影响天线辐射性能的情况下降低天线的RCS也是超表面设计时需要考虑的因素。基于以上应用需求,本文主要针对展宽超表面的RCS减缩带宽以及实现天线工作频带外的宽带RCS抑制进行研究。本文的主要研究内容如下:1、提出了一种散射相消-吸收混合作用的超宽带RCS减缩超表面。所提出的超表面由宽带极化转换吸收单元组成,该单元主要分为三层,分别是:加载集总电阻的低频极化转换吸收层、高频极化转换层和金属地板。其中,加载的集总电阻能够抑制低频结构在高频产生的谐振,同时还可以吸收部分入射电磁波;低频极化转换吸收层与高频极化转换层之间表面电流的正交化排布方式避免了法诺谐振的产生,从而顺利将低频和高频结构的工作带宽拼接起来。因此,极化转换吸收单元在2.7~19.6GHz的超宽带范围内的极化转换吸收率(Polarization Conversion-Absorption Ratio,PCAR)大于0.9。将极化转换吸收单元组成6×6的子阵列,然后将该子阵列及其镜像阵列进行2×2棋盘式排列,组成散射相消和吸收混合作用的RCS减缩阵列,最终的仿真和实测表明,所提出的超表面能够在2.85~18.65GHz的范围内实现10dB以上的RCS减缩,其相对带宽(Relative Bandwidth,RBW)为146.98%。2、提出了一种具有透波窗口的超宽带RCS减缩超表面。为了在不影响天线辐射性能的情况下降低其RCS,所提出的超表面能够实现在通带内高效透波,在通带两侧进行宽带RCS减缩的功能,其中,通带两侧的RCS减缩是通过散射相消和吸收混合作用实现的。该超表面由具有频率选择特性的极化转换吸收单元组成,该单元主要分为三个部分,分别是:加载集总电阻和交指结构的低频极化转换吸收层、高频极化转换层和二阶带通频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)层。其中,加载的交指结构避免了通带内电磁波能量的损耗和极化状态的改变;具有传输零点的FSS的应用减小了通带与极化转换吸收带之间的过渡带。全波仿真表明,在电磁波的垂直入射下,共极化反射系数小于-10dB的带宽为3.16~25.04GHz,其相对带宽为155.18%,共极化透射系数大于-1dB的传输带宽为8.45~10GHz,通带内的最低插损(Insert Loss,IL)为0.43dB。最终的仿真和实测表明,所提出的超表面能够在3.4~24.6GHz范围内实现了10dB以上的RCS减缩,并且在8.45~10GHz范围内高效透波。
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