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基于电磁带隙结构的隐身技术研究及其在天线阵中的应用

作　者: 李有权
导　师: 袁乃昌
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 电磁带隙结构表面波带隙同相反射雷达散射截面(RCS) 吸波材料非对称单脊波导缝隙天线阵螺旋天线阵
分类号: TN972
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电磁带隙(EBG)结构是一种新型的人工电磁材料,已经在微波领域得到广泛的研究与应用,用以实现高性能天线及微波器件。但是EBG结构的电磁散射特性的研究没有引起足够的重视,EBG结构用于隐身尤其是天线隐身的研究还很少。本文主要对电磁带隙结构在目标隐身方面的应用进行研究。介绍了电磁带隙结构的数值分析方法。我们根据不同的需要选择不同的分析方法。选择有限元法分析EBG结构的能带特性,选择FDTD方法分析EBG结构的同相反射特性。简要介要了两种方法的基本原理,并给出实际计算实例。深入研究了EBG结构的电磁特性。重点分析了电阻加载EBG结构的表面波特性。采用RLC电路对加载电阻后的EBG结构的表面阻抗可以进行等效,并采用传输线模型对其带隙特性进行了分析。采用LC等效模型对EBG结构的表面阻抗进行建模,给出反射相位的计算公式。最后研究了EBG结构的表面波带隙及反射相位的关系,并通过实验进行验证。研究利用EBG结构改变目标散射特性。理想磁导体(PMC)和理想电导体(PEC)的反射相位相差1800,将PMC和PEC结构组合在一起,利用相位的差异改变平面结构的散射特性。首先分析了简单组合结构的散射特性,采用软件对其单站RCS进行仿真并与测试结果进行了对比,PEC和PMC组合结构能有效降低后向散射,但是对入射波极化方式敏感。在此基础上提出了棋盘结构,分析棋盘结构的散射特性,给出了影响棋盘结构RCS减缩效果的两个因素:相位差及单元尺寸。最后采用不同尺寸的EBG结构实现了宽带棋盘结构。深入研究了基于EBG结构的超薄吸波材料。利用EBG结构的同相反射特性,可以实现超薄吸波材料,其设计原理与Salisbury屏吸收原理一致。采用集总参数等效模型对吸波材料进行建模,给出了吸波材料的设计方法。研究发现吸波材料的吸波带宽是由EBG结构的同相反射相位±600的频带决定的,在焊接电阻过程中引入了寄生电容,导致吸波频带向低频偏移了。采用缝隙加载技术可以有效降低高阻表面的反射相位,从而有效降低吸波材料的工作频段。最后研究了基于方形环的吸波材料的吸波特性。研究了超薄吸波材料在天线阵中的应用。将吸波材料用于天线阵,可以有效降低天线的结构散射,同时保持了天线的辐射特性。在波导缝隙阵列天线及螺旋天线阵上的应用表明,天线RCS可以得到有效降低,而天线阵的辐射特性仅增益有所降低,为天线隐身提供了一种新的途径。

全文目录

摘要  11-12
Abstract  12-14
第一章绪论  14-27
  1.1 研究背景及意义  14-15
  1.2 电磁带隙结构及其应用  15-20
    1.2.1 电磁带隙结构  15-17
    1.2.2 电磁带隙结构(EBG)的研究现状及发展趋势  17-20
  1.3 电磁带隙结构在隐身技术中的应用  20-25
    1.3.1 隐身技术的现状及要求  20-22
    1.3.2 电磁带隙结构(EBG)在隐身方面的应用  22-25
  1.4 本文的主要内容及章节安排  25-27
第二章 EBG 结构特性的数值分析方法  27-40
  2.1 EBG 结构数值分析方法概述  27-29
  2.2 有限元法分析EBG 结构能带特性  29-33
    2.2.1 有限元法概述  29-32
    2.2.2 有限元法计算EBG 结构能带  32-33
  2.3 时域有限差分法分析EBG 结构  33-39
    2.3.1 FDTD 方法介绍  33-35
    2.3.2 FDTD 法分析EBG 结构带隙  35-37
    2.3.3 FDTD 法分析EBG 结构反射相位  37-39
  2.4 小结  39-40
第三章电磁带隙结构(EBG)加载特性研究及等效模型  40-66
  3.1 复阻抗表面的表面波及反射相位  40-44
    3.1.1 复阻抗表面表面波  40-42
    3.1.2 复阻抗表面的反射  42-44
  3.2 电磁带隙结构的表面波带隙及反射相位  44-53
    3.2.1 电磁带隙结构的表面阻抗  44-46
    3.2.2 表面波带隙的测量  46-50
    3.2.3 反射相位及测量  50-53
  3.3 电阻加载EBG 结构带隙特性分析  53-56
  3.4 高阻表面反射相位等效模型  56-62
    3.4.1 等效模型  57-60
    3.4.2 实验结果与分析  60-62
  3.5 EBG 结构表面波特性与反射相位关系  62-65
    3.5.1 EBG 参数对表面波带隙及反射相位的影响  62-63
    3.5.2 表面波带隙与反射相位的关系  63-65
  3.6 结论  65-66
第四章 EBG 在外形隐身中的应用研究  66-86
  4.1 引言  66-68
  4.2 PEC 与PMC 复合结构仿真及实现  68-71
    4.2.1 PEC 与PMC 复合结构  68-69
    4.2.2 EBG 结构实现复合结构  69-71
  4.3 棋盘结构的设计  71-78
    4.3.1 EBG 与PEC 组合结构仿真  71-75
    4.3.2 棋盘结构测量结果与分析  75-78
  4.4 条带型复合结构散射  78-81
  4.5 宽带棋盘结构  81-85
    4.5.1 宽带棋盘结构基本原理  81-83
    4.5.2 宽带结构的实现与分析  83-85
  4.6 小结  85-86
第五章基于EBG 结构的超薄吸波材料设计  86-111
  5.1 Salisbury 屏  86-88
  5.2 基于EBG 结构的吸波材料的设计  88-95
    5.2.1 基于EBG 结构的吸波材料  89-92
    5.2.2 测试结果及分析  92-95
  5.3 基于EBG 结构的吸波材料的等效模型  95-101
    5.3.1 基于EBG 吸波材料的等效模型  95-98
    5.3.2 测试结果及分析  98-101
  5.4 缝隙加载技术在吸波材料的应用  101-106
    5.4.1 缝隙加载技术实现低频吸波材料  102-105
    5.4.2 测量结果及分析  105-106
  5.5 基于方形环的吸波结构  106-110
    5.5.1 方形环结构的频率选择表面  106-108
    5.5.2 基于方形环的吸波材料  108-110
  5.6 结论  110-111
第六章基于EBG 结构的吸波材料在天线中的应用  111-127
  6.1 平面天线阵的散射与减缩  111-115
    6.1.1 平面天线阵的RCS  111-112
    6.1.2 天线RCS 减缩方法  112-114
    6.1.3 超薄吸波材料用于天线RCS 减缩的基本思路  114-115
  6.2 吸波材料在波导缝隙天线中的应用  115-122
    6.2.1 非对称单脊波导缝隙相控阵天线的设计  116-119
    6.2.2 加载吸波材料后的性能分析  119-122
  6.3 吸波材料在螺旋天线阵中的应用  122-125
    6.3.1 螺旋天线阵列  122-123
    6.3.2 加载吸波材料的螺旋天线阵  123-125
  6.4 结束语  125-127
第七章结论与展望  127-129
  7.1 本文主要研究成果  127-128
  7.2 后续工作展望  128-129
致谢  129-130
参考文献  130-141
作者在学期间取得的学术成果  141-142

基于电磁带隙结构的隐身技术研究及其在天线阵中的应用

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