天线、频率选择表面及导电板的雷达散射截面分析与控制

摘要

在现代化战争中，雷达作为一种主要探测设备已得到了广泛应用。因此，军事系统与平台针对于雷达的隐身性能是衡量其战场生存能力的一项重要指标。我方军事目标的合适雷达隐身设计，可使我方军事目标对敌方雷达探测实现有效回避，延迟我方军事目标被敌方雷达发现的时间，迫使敌方雷达防御系统降低其战斗效能，由此可提升我方军事目标的战场生存能力。
　　雷达隐身设计或雷达低可探测性设计目前主要通过雷达散射截面减缩来完成。根据已公开的报道，作为发展相对较成熟与应用相对较广泛的两种雷达隐身设计技术措施，外形隐身与雷达波吸收材料已能合适地减缩军事平台的雷达散射截面。而对于现代雷达隐身军事平台，其上的一些关键部件、子系统已被理论或实践地证明为主要散射源，如包含天线与天线罩的天线系统。这些主要散射源常产生较强的雷达散射，从而趋向于对军事平台的整体雷达隐身性能产生影响。同时，为了确保这些关键部件、子系统自身的良好工作性能，适用于普通散射体的传统隐身技术措施可能得不到简单直接的应用。
　　为了奠定平台整体雷达隐身性能改善的基础，对产生强雷达散射的关键部件、子系统进行雷达散射截面减缩设计，研究并探索合适的雷达散射截面减缩新措施，是具有实际意义的一项工作。另一方面，针对当前被广泛使用的战场电磁探测，雷达诱偏也逐渐显现出其对提高我方有效军事系统与平台战场生存能力的重要性。因此，对特定目标进行雷达散射截面增强设计，同样是具有实际意义的一项工作。本文主要研究了天线、频率选择表面及导电板的雷达散射截面减缩，以及导电板的雷达散射截面增强，简述如下：
　　第一章介绍了雷达散射截面控制的研究背景与一些研究意义；介绍了天线、频率选择表面及导电板雷达散射截面减缩的研究现状，以及雷达散射截面增强的研究现状；并概述了本文的主要研究内容。
　　第二章以多端口天线或阵列天线的等效网络为基础，介绍了天线的极化总散射矩阵，并细节地介绍了单端口与双端口天线的极化总散射矩阵。
　　第三章提出了一种基于 PIN衰减器二极管加载电路的微带贴片天线单元与阵列雷达散射截面减缩新措施，获得了天线在低雷达散射截面状态与最佳辐射状态之间的一种可电控转换设计；构造了一种包含条带型频率选择表面单元的复合接地板，并将其用于一副微带贴片天线的雷达散射截面减缩设计，在较大的空间区域内获得了减缩效果；以介质谐振器天线为例，介绍了可用于天线模与结构模散射项相互抵消的特殊端接阻抗，从而获得天线的雷达散射截面减缩；提出了具有低雷达散射截面特性的新型平面双层四臂螺旋天线设计以及电阻加载的平面双臂阿基米德螺旋天线设计。
　　第四章以等效电路模型为基础，对传统二维带通响应频率选择表面通带以外低、高频端的强反射进行了降低设计，以吸收方式获得了较宽的低反射频带。同时，在吸收频带内合适地保持了一个具有较小插入损耗的传输窗口。传输通带两端强反射的降低有助于减缩强雷达散射截面，从而改善军事平台的雷达隐身性能。
　　第五章以等效电路模型为基础，对单层电路模拟雷达波吸收材料进行了仔细研究，首次以双方环为单元结构实现了单层电路模拟雷达波吸收材料工作频带内三个谐振的观察与设计，从而针对单层电路模拟雷达波吸收材料实现了优良的带宽与厚度综合性能。在此基础上，借助高阻抗表面的同相反射特性，提出了一种工作频带内具有四个谐振的设计，以获得进一步的吸收带宽扩展。宽吸收频带意味着导电板的宽带雷达散射截面减缩。此外，设计了宽带平行板波导结构用于测试小规模一维样品在宽频带范围内的反射系数。
　　第六章介绍了导电板的雷达散射截面特征，以空基、移动军事平台为应用背景，提出了一种新颖的基于准超方向性再辐射概念的侧向雷达散射截面增强设计。
　　第七章对本文的主要工作进行了总结，并提出了一些有待于在未来工作中作进一步研究的内容。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 天线雷达散射截面减缩的研究现状

1.3 频率选择表面雷达散射截面减缩的研究现状

1.4 导电板雷达散射截面控制的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第二章 天线雷达散射截面分析

2.1 雷达散射截面的频率特征

2.2 天线极化散射矩阵

2.3 本章小结

第三章 天线雷达散射截面减缩

3.1 使用PIN二极管的微带贴片天线单元雷达散射截面减缩

3.2 使用复合接地板的微带贴片天线单元雷达散射截面减缩

3.3 使用PIN二极管的微带贴片天线阵列雷达散射截面减缩

3.4 结构模与天线模散射的抵消

3.5 平面螺旋天线的低雷达散射截面设计

3.6 本章小结

第四章 频率选择表面雷达散射截面减缩

4.1 引言

4.2 等效电路分析

4.3 物理设计双极化rasorber

4.4 实验测量与讨论

4.5 本章小结

第五章 导电板雷达散射截面减缩

5.1 引言

5.2 吸波材料结构及其等效电路

5.3 设计准则与物理实现

5.4 实验测量与讨论

5.5 基于高阻抗表面的带宽增强设计

5.6 本章小结

第六章 导电板雷达散射截面增强

6.1 引言

6.2 电流分布与散射结果

6.3 讨论与实验验证

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果