用于宽带RCS减缩的电磁超表面研究

论文摘要

在现代战争中,军事设备的隐身性能是衡量武器装备性能的重要指标之一。在复杂的电磁环境中,优越的隐身性能可以使己方设备的存活率得到有效提升,从而充分保证己方战斗力。雷达天线作为飞机、导弹和舰艇等常规作战武器的“眼睛”,是发送和接收信息的重要设备,其辐射特性需要满足作战要求,同时,在敌方雷达的侦察下,它也是整个武器雷达截面(Radar Cross Section,RCS)最主要的贡献源,因此对其散射特性也有着很高的要求。正是在这样的应用需求下,本文对天线在工作状态时,如何在不影响正常辐射性能,甚至提升天线辐射性能的条件下,实现带内和带外的RCS减缩的方法进行研究。本文的工作主要包括以下几个方面:第一,研究了人工磁导体表面(Artificial Magnetic Conductor,AMC)在微带天线RCS减缩中的应用。AMC包含了三种不同的人工磁导体单元,通过将三个单元两两对应周期排布在六边形结构中,然后沿六边形结构的每条边向外进行周期延拓构成。不同单元组成的阵列在不同的频段有理想反射相位差,这样各自产生的反射波便具有相等的幅度和180~°的相位差。根据相位相消的原理,主方向上的能量便被散射到其他方向。为了考察AMC对天线辐射性能的影响,将AMC加载在微带天线介质基板的上表面,并与未加载AMC的参考天线相比较。最终,仿真和实测结果均表明,加载AMC对天线的阻抗匹配特性和辐射特性影响甚微。对比两者的散射特性可以得到,在x极化和y极化入射电磁波的垂直照射下,设计天线在宽带内得到了良好的RCS减缩效果,覆盖了微带天线工作频段的带内和带外。第二,研究了极化转换表面在低剖面高增益偶极子天线的应用。将极化转换单元周期性排布组成6×6的阵列结构,作为偶极子天线的反射板。由于极化转换表面反射波90~°相位旋转的特性,避免了当PEC作为反射板时λ/4的厚度要求,使得天线剖面得到降低。同时,靠近偶极子天线单元的超表面结构表面的感应电流增大了天线口径,使得天线增益得到提高。第三,研究了极化转换表面在实现辐射波极化转换的应用。通过将极化转换表面用作偶极子天线反射板,利用天线辐射波和反射波具有幅度相等,相位相差90~°的特点,两者叠加形成圆极化波。也就是说,极化转换表面的加载实现了偶极子天线单元辐射波从线极化到圆极化的转换。第四,研究了极化转换表面在阵列天线宽带内RCS减缩的应用。将极化转换单元阵列和其镜像单元阵列棋盘型分布在同一平面中,作为偶极子阵列天线的反射板,并与未加载超表面的参考天线进行对比。最终仿真和测试结果表明,参考天线和设计天线的阻抗匹配特性和辐射方向图都基本一致。对比两者的散射特性可以得到,设计天线在包含阵列天线工作频段的宽频段内RCS减缩效果良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 人工磁导体表面
•     1.2.2 超材料吸波结构
•     1.2.3 频率选择表面
•     1.2.4 极化转换表面
•     1.2.5 相位梯度超表面
•   1.3 论文的安排及主要工作
• 第二章 天线散射基本理论分析
•   2.1 雷达散射的概念
•   2.2 天线散射的基本理论
•   2.3 天线结构项散射的控制手段
•   2.4 小结
• 第三章 基于人工磁导体表面的天线RCS减缩
•   3.1 引言
•   3.2 微带天线简介
•   3.3 人工磁导体表面基本特性
•     3.3.1 人工磁导体表面性能
•     3.3.2 AMC实现RCS减缩的机制
•   3.4 宽带人工磁导体表面设计及其特性分析
•     3.4.1 AMC单元设计
•     3.4.2 AMC参数特性分析
•     3.4.3 AMC单元的周期性排布
•   3.5 基于人工磁导体表面的低RCS微带天线设计
•     3.5.1 加载与未加载AMC的微带天线设计
•     3.5.2 天线辐射特性
•     3.5.3 天线散射特性
•   3.6 小结
• 第四章 基于极化转换表面的天线RCS减缩
•   4.1 引言
•   4.2 极化转换表面应用方向
•   4.3 极化转换表面设计及其性能分析
•     4.3.1 极化转换单元设计
•     4.3.2 极化转换单元的极化旋转机理
•     4.3.3 极化转换表面性能分析
•   4.4 基于极化转换表面偶极子天线单元设计
•     4.4.1 偶极子天线基本理论
•     4.4.2 加载超表面的天线单元设计
•   4.5 基于极化转换表面的阵列天线设计
•     4.5.1 阵列天线基本理论
•     4.5.2 功率分配器设计
•     4.5.3 加载超表面的天线阵列设计
•   4.6 阵列天线辐射特性和散射特性
•     4.6.1 天线辐射特性
•     4.6.2 超表面对天线辐射特性的提升
•     4.6.3 天线散射特性
•   4.7 小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 研究结论
•   5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王帅

导师: 洪涛

关键词: 雷达截面减缩,微带天线,人工磁导体表面,宽带,偶极子天线,阵列天线,极化转换表面

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,武器工业与军事技术

单位: 西安电子科技大学

分类号: O441;E92

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.002167

总页数: 71

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