来源 | 雷达学报
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随着科学技术的不断发展，多波束天线系统在通讯领域发挥着越来越重要的作用。然而，传统的多波束天线主要依赖于复杂的馈电网络，这不仅增加了设计的成本和复杂度，而且所实现的功能单一。近年来，由亚波长单元组成的人工复合超材料具备强大的电磁操控能力，已经广泛地应用在了电磁器件的设计中。因此，为解决传统多波束天线所面临的难题，王朝辉博士等人基于电磁超表面设计了多波束辐射和隐身双功能集成天线。为实现以上天线系统，首先从理论上分析了各向异性电磁超表面单元的电磁特征。在以上理论的指导下，采用ITO代替部分金属的各向异性结构设计了用于正交线极化波激励下对幅度和相位独立调控的超表面单元。所述超表面单元为方形，周期（即超表面单元的长度）均为p。该超表面单元具体由金属地板、一个三层结构和两层介质板组成。三层结构从上到下依次记为第I层、II层和III层，金属地板是最底层。第I层和第III层为打印在PET膜上的“I”形ITO电阻薄膜，为亚波长结构，沿x-轴分布，两层的表面电阻和结构完全一样。第II层是由“工”形金属结构和对称分布在其两侧的两个平行的金属贴片组成，构成双模金属谐振器（简称金属结构），沿y轴分布。2层介质板中，第一介质板在第II层双模金属谐振器和第III层ITO电阻薄膜之间，第二介质板在第III层ITO电阻薄膜与金属地板之间。第I层和第III层的ITO电阻薄膜工作在x极化波下，第II层金属结构工作在y极化波下。第I层和第III层的“I”形ITO电阻薄膜与第二层的金属结构正交分布，以保证各极化正常工作，也保证很低的交叉极化串扰。我们通过交替投影算法优化出y-极化波入射下用于实现四波束辐射的口径相位。然后，在全波仿真软件CST中建立天线系统模型并进行仿真。最后，对天线系统进行样品加工和测试。仿真和测试结果均表明在y-极化波入射下实现了高定向均匀四波束辐射，每个波束的增益在12~13.5 GHz达到了19 dB以上，旁瓣天平在-10 dB以下，口径效率在30%以上。对于x极化波入射，天线系统在7.5~18.5 GHz范围内实现了90%以上的电磁波吸收率，满足了宽频雷达隐身要求。与传统的多波束天线相比，该方法用无源电磁超表面取代了有源复杂馈电网络，在确保工作性能的同时极大地简化了设计的复杂度和成本。同时，该方法还将多波束辐射与雷达隐身双功能集成在单一系统上，进一步扩大天线系统的应用范围。
博士简介
王朝辉(1994–)，河南浚县人，空军工程大学电子科学与技术专业在读博士生，主要研究方向为新型电磁超表面与电磁调控。
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