搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

共享孔径人工电磁媒质设计及其在高增益低雷达散射截面天线中的应用

李文强 曹祥玉 高军 郑月军 杨欢欢 李思佳 赵一

引用本文:
Citation:

共享孔径人工电磁媒质设计及其在高增益低雷达散射截面天线中的应用

李文强, 曹祥玉, 高军, 郑月军, 杨欢欢, 李思佳, 赵一

Design of shared aperture metamaterial and its applications for high gain and low radar cross section antenna

Li Wen-Qiang, Cao Xiang-Yu, Gao Jun, Zheng Yue-Jun, Yang Huan-Huan, Li Si-Jia, Zhao Yi
PDF
导出引用
  • 提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.
    A shared aperture metamaterial (SA-MTM) with partially reflection and absorber characteristics is presented. The SA-MTM is composed of two metallic layers separated by a dielectric spacer; the top absorbing surface (AS) consists of oblique cross metallic pattern loaded with lumped resistances, and the bottom partially reflecting surface (PRS) consists of etched parallel slots in a metallic layer. An SA-MTM with partial reflection and absorption characteristics is fulfilled by making the absorbing surface and partially reflecting surface shared the same aperture in the vertical direction. The SA-MTM is applied to the waveguide slot antenna; the Fabry-Perot resonance cavity constructed by the PRS and the metallic ground layer of the waveguide slot antenna can achieve high gain, while the AS can obtain the low radar cross section (RCS) characteristic antenna by absorbing the incident wave. Simulation and experimental results demonstrate that the antenna with SA-MTM gain is enhanced above 3 dB in the operation frequency range, the backscattering RCS is obviously reduced in a frequency range of 2–9 GHz. This idea can help us design a high gain and low RCS antenna, which overcomes the conflict between scattering and radiation performance of antenna.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60671001, 61271100, 61471389)、陕西省自然科学基础研究重点项目(批准号: 2010JZ010)、中国博士后科学基金(批准号: 2012T50878), 陕西省自然科学基础研究项目(批准号: SJ08-ZT06, 2012JM8003)和空军工程大学信息与导航学院博士创新基金(批准号: KGD103201402)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 60671001, 61271100, 61471389), the Key Program of Natural Science Basic Research of Shaanxi Province, China (Grant No. 2010JZ010), the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2012T50878), the Natural Science Basic Research of Shanxi Province, China (Grant Nos. SJ08-ZT06, 2012JM8003), and the Doctoral Innovation Foundation of Information and Navigation college of AFEU, China (Grant No. KGD103201402).
    [1]

    Sang J H 2013 Low-observable Technologies of Aircraft (First Edition) (Beijing: Aviation Industry Press) p1 (in Chinese) [桑建华 2013 飞行器隐身技术 (第1版) (北京: 航空工业出版社) 第1页]

    [2]

    Kraus J D, Marhefka R J 2002 Antennas (New York: Mc-Graw-Hill)

    [3]

    Gao Q, Yin Y, Yan D B 2005 Electronics Letters 41 3

    [4]

    Yang J, Shen Z 2007 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 6 388

    [5]

    Simms S, Fusco V 2008 Electronics Letters 44 316

    [6]

    Jiang W, Liu Y, Gong S X, Hong T 2009 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 8 1275

    [7]

    Sievenpiper D, Zhang L J, Broas R F J, Alex'opolous N G, Yablonovitch E 1999 IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 47 2059

    [8]

    Smith D R, Padilla W J, Vier D C, Nemat-Nasser S C, Schultz S 2000 Phys. Rev. Lett. 84 4184

    [9]

    Fang N, Lee H, Sun C, Zhang X 2005 Science 308 534

    [10]

    Pendry J B, Schurig D, Smith D R 2006 Science 312 1780

    [11]

    Wang G D, Liu M H, Hu X W, Kong L H, Cheng L L, Chen Z Q 2014 Chin. Phys. B 23 017802

    [12]

    Lin B Q, Zhao S H, Wei W, Da X Y, Zheng Q R, Zhang H Y, Zhu M 2014 Chin. Phys. B 23 024201

    [13]

    Zhou H, Qu S B, Lin B Q, Wang J F, Ma H, Xu Z, Peng W D, Bai P 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 3040

    [14]

    Genovesi S, Costa F, Monorchio A 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 2327

    [15]

    Li Y Q, Zhang H, Fu Y Q, Yuan N C 2008 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 7 473

    [16]

    Tan Y, Yuan N, Yang Y, Fu Y 2011 Electronics Letters 47 10

    [17]

    Zhao Y, Cao X Y, Gao J, Li W Q 2013 Electronics Letters 49 1312

    [18]

    Liu T, Cao X Y, Gao J, Zheng Q R, Li W Q, Yang H H 2013 IEEE Trans. Antennas Propag. 61 1479

    [19]

    Yang H H, Cao X Y, Gao J, Liu T, Ma J J, Yao X, Li W Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 064103 (in Chinese) [杨欢欢, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 马家俊, 姚旭, 李文强 2013 物理学报 62 064103]

    [20]

    Zhang J J, Wang J H, Chen M E 2012 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 11 1048

    [21]

    Yuan Z D, Gao J, Cao X Y, Yang H H, Yang Q, Li W Q, Shang K 2014 Acta Phys. Sin. 63 014102 (in Chinese) [袁子东, 高军, 曹祥玉, 杨欢欢, 杨群, 李文强, 商楷 2014 物理学报 63 014102]

    [22]

    Pan W B, Huang C, Chen P, Ma X L, Hu C G, Luo X G 2014 IEEE Trans. Antennas Propag. 62 945

    [23]

    Feresidis A P, Vardaxoglou J C 2001 IEE Proc. Microw. Antennas Propag 148 345

    [24]

    Weily A R, Bird T S, Guo Y J 2008 IEEE Trans. Antennas Propag. 56 3382

    [25]

    Ge Y, Esselle K P, Bird T S 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 743

    [26]

    Pendry J B, Holden A J, Stewart W J 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4773

    [27]

    Falcone F, Lopetegi T, Laso M A G, Baena J D, Bonache J, Beruete M, Marques R, Martin F, Sorolla M 2004 Phys Rev Lett. 93 197401

    [28]

    Lu L, Qu S B, Ma H, Xia S, Xu Z, Wang J F, Yu F 2013 Acta Phys. Sin. 62 034206 (in Chinese) [鲁磊, 屈绍波, 马华, 夏颂, 徐卓, 王甲富, 余斐 2013 物理学报 62 034206]

  • [1]

    Sang J H 2013 Low-observable Technologies of Aircraft (First Edition) (Beijing: Aviation Industry Press) p1 (in Chinese) [桑建华 2013 飞行器隐身技术 (第1版) (北京: 航空工业出版社) 第1页]

    [2]

    Kraus J D, Marhefka R J 2002 Antennas (New York: Mc-Graw-Hill)

    [3]

    Gao Q, Yin Y, Yan D B 2005 Electronics Letters 41 3

    [4]

    Yang J, Shen Z 2007 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 6 388

    [5]

    Simms S, Fusco V 2008 Electronics Letters 44 316

    [6]

    Jiang W, Liu Y, Gong S X, Hong T 2009 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 8 1275

    [7]

    Sievenpiper D, Zhang L J, Broas R F J, Alex'opolous N G, Yablonovitch E 1999 IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 47 2059

    [8]

    Smith D R, Padilla W J, Vier D C, Nemat-Nasser S C, Schultz S 2000 Phys. Rev. Lett. 84 4184

    [9]

    Fang N, Lee H, Sun C, Zhang X 2005 Science 308 534

    [10]

    Pendry J B, Schurig D, Smith D R 2006 Science 312 1780

    [11]

    Wang G D, Liu M H, Hu X W, Kong L H, Cheng L L, Chen Z Q 2014 Chin. Phys. B 23 017802

    [12]

    Lin B Q, Zhao S H, Wei W, Da X Y, Zheng Q R, Zhang H Y, Zhu M 2014 Chin. Phys. B 23 024201

    [13]

    Zhou H, Qu S B, Lin B Q, Wang J F, Ma H, Xu Z, Peng W D, Bai P 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 3040

    [14]

    Genovesi S, Costa F, Monorchio A 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 2327

    [15]

    Li Y Q, Zhang H, Fu Y Q, Yuan N C 2008 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 7 473

    [16]

    Tan Y, Yuan N, Yang Y, Fu Y 2011 Electronics Letters 47 10

    [17]

    Zhao Y, Cao X Y, Gao J, Li W Q 2013 Electronics Letters 49 1312

    [18]

    Liu T, Cao X Y, Gao J, Zheng Q R, Li W Q, Yang H H 2013 IEEE Trans. Antennas Propag. 61 1479

    [19]

    Yang H H, Cao X Y, Gao J, Liu T, Ma J J, Yao X, Li W Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 064103 (in Chinese) [杨欢欢, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 马家俊, 姚旭, 李文强 2013 物理学报 62 064103]

    [20]

    Zhang J J, Wang J H, Chen M E 2012 IEEE Anten. Wirel. Propag. Lett. 11 1048

    [21]

    Yuan Z D, Gao J, Cao X Y, Yang H H, Yang Q, Li W Q, Shang K 2014 Acta Phys. Sin. 63 014102 (in Chinese) [袁子东, 高军, 曹祥玉, 杨欢欢, 杨群, 李文强, 商楷 2014 物理学报 63 014102]

    [22]

    Pan W B, Huang C, Chen P, Ma X L, Hu C G, Luo X G 2014 IEEE Trans. Antennas Propag. 62 945

    [23]

    Feresidis A P, Vardaxoglou J C 2001 IEE Proc. Microw. Antennas Propag 148 345

    [24]

    Weily A R, Bird T S, Guo Y J 2008 IEEE Trans. Antennas Propag. 56 3382

    [25]

    Ge Y, Esselle K P, Bird T S 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 743

    [26]

    Pendry J B, Holden A J, Stewart W J 1996 Phys. Rev. Lett. 76 4773

    [27]

    Falcone F, Lopetegi T, Laso M A G, Baena J D, Bonache J, Beruete M, Marques R, Martin F, Sorolla M 2004 Phys Rev Lett. 93 197401

    [28]

    Lu L, Qu S B, Ma H, Xia S, Xu Z, Wang J F, Yu F 2013 Acta Phys. Sin. 62 034206 (in Chinese) [鲁磊, 屈绍波, 马华, 夏颂, 徐卓, 王甲富, 余斐 2013 物理学报 62 034206]

  • [1] 周仕浩, 房欣宇, 李猛猛, 俞叶峰, 陈如山. S/X双频带吸波实时可调的吸波器. 物理学报, 2020, 69(20): 204101. doi: 10.7498/aps.69.20200606
    [2] 张旭涛, 阙肖峰, 蔡禾, 孙金海, 张景, 李粮生, 刘永强. 太赫兹雷达散射截面的仿真与时域光谱测量. 物理学报, 2019, 68(16): 168701. doi: 10.7498/aps.68.20190552
    [3] 丛丽丽, 付强, 曹祥玉, 高军, 宋涛, 李文强, 赵一, 郑月军. 一种高增益低雷达散射截面的新型圆极化微带天线设计. 物理学报, 2015, 64(22): 224219. doi: 10.7498/aps.64.224219
    [4] 李文强, 曹祥玉, 高军, 赵一, 杨欢欢, 刘涛. 基于超材料吸波体的低雷达散射截面波导缝隙阵列天线. 物理学报, 2015, 64(9): 094102. doi: 10.7498/aps.64.094102
    [5] 江月松, 聂梦瑶, 张崇辉, 辛灿伟, 华厚强. 粗糙表面涂覆目标的太赫兹波散射特性研究. 物理学报, 2015, 64(2): 024101. doi: 10.7498/aps.64.024101
    [6] 闫昕, 梁兰菊, 张雅婷, 丁欣, 姚建铨. 基于编码超表面的太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的研究. 物理学报, 2015, 64(15): 158101. doi: 10.7498/aps.64.158101
    [7] 何晶, 苗强, 吴德伟. 微波-光波变电长度缩比条件下目标雷达散射截面相似性研究. 物理学报, 2014, 63(20): 200301. doi: 10.7498/aps.63.200301
    [8] 梁达川, 魏明贵, 谷建强, 尹治平, 欧阳春梅, 田震, 何明霞, 韩家广, 张伟力. 缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面(RCS)研究. 物理学报, 2014, 63(21): 214102. doi: 10.7498/aps.63.214102
    [9] 袁子东, 高军, 曹祥玉, 杨欢欢, 杨群, 李文强, 商楷. 一种性能稳定的新型频率选择表面及其微带天线应用. 物理学报, 2014, 63(1): 014102. doi: 10.7498/aps.63.014102
    [10] 朱艳菊, 江月松, 华厚强, 张崇辉, 辛灿伟. 热防护层覆盖弹体目标雷达散射截面的修正的等效电流近似法和图形计算电磁学法分析. 物理学报, 2014, 63(24): 244101. doi: 10.7498/aps.63.244101
    [11] 李文强, 高军, 曹祥玉, 杨群, 赵一, 张昭, 张呈辉. 一种具有吸波和相位相消特性的共享孔径雷达吸波材料. 物理学报, 2014, 63(12): 124101. doi: 10.7498/aps.63.124101
    [12] 李勇峰, 张介秋, 屈绍波, 王甲富, 陈红雅, 徐卓, 张安学. 宽频带雷达散射截面缩减相位梯度超表面的设计及实验验证. 物理学报, 2014, 63(8): 084103. doi: 10.7498/aps.63.084103
    [13] 杨利霞, 沈丹华, 施卫东. 三维时变等离子体目标的电磁散射特性研究. 物理学报, 2013, 62(10): 104101. doi: 10.7498/aps.62.104101
    [14] 李思佳, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 杨欢欢, 李文强. 宽带超薄完美吸波体设计及在圆极化倾斜波束天线雷达散射截面缩减中的应用研究. 物理学报, 2013, 62(12): 124101. doi: 10.7498/aps.62.124101
    [15] 杨欢欢, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 马嘉俊, 姚旭, 李文强. 基于超材料吸波体的低雷达散射截面微带天线设计. 物理学报, 2013, 62(6): 064103. doi: 10.7498/aps.62.064103
    [16] 李思佳, 曹祥玉, 高军, 郑秋容, 赵一, 杨群. 低雷达散射截面的超薄宽带完美吸波屏设计研究. 物理学报, 2013, 62(19): 194101. doi: 10.7498/aps.62.194101
    [17] 杨欢欢, 曹祥玉, 高军, 刘涛, 李思佳, 赵一, 袁子东, 张浩. 基于电磁谐振分离的宽带低雷达截面超材料吸波体. 物理学报, 2013, 62(21): 214101. doi: 10.7498/aps.62.214101
    [18] 刘涛, 曹祥玉, 高军, 郑秋容, 李文强. 基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用. 物理学报, 2012, 61(18): 184101. doi: 10.7498/aps.61.184101
    [19] 李民权, 陶小俊, 赵 瑾, 吴先良. 基于辛Runge-Kutta-Nystrom方法的雷达散射截面计算. 物理学报, 2007, 56(4): 2115-2118. doi: 10.7498/aps.56.2115
    [20] 刘少斌, 张光甫, 袁乃昌. 等离子体覆盖立方散射体目标雷达散射截面的时域有限差分法分析. 物理学报, 2004, 53(8): 2633-2637. doi: 10.7498/aps.53.2633
计量
  • 文章访问数:  3232
  • PDF下载量:  717
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-07-17
  • 修回日期:  2014-08-26
  • 刊出日期:  2015-03-05

共享孔径人工电磁媒质设计及其在高增益低雷达散射截面天线中的应用

  • 1. 空军工程大学信息与导航学院, 西安 710077
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60671001, 61271100, 61471389)、陕西省自然科学基础研究重点项目(批准号: 2010JZ010)、中国博士后科学基金(批准号: 2012T50878), 陕西省自然科学基础研究项目(批准号: SJ08-ZT06, 2012JM8003)和空军工程大学信息与导航学院博士创新基金(批准号: KGD103201402)资助的课题.

摘要: 提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.

English Abstract

参考文献 (28)

目录

    /

    返回文章
    返回