复合超材料隐身曲面天线罩理论与应用研究

The stealth missiles and aircrafts are low observable to the hostile radars. They can survive very well in the war field. Generally, radar seekers and radars on the aircrafts have very strong reflection. So, it is urgent and important to develop the invisible curved radome technology for the stealth missiles, airplanes and other aircrafts, et al. On one side, the stealth radome provides the physical protect for the enclosed antenna, and improves the in-band performance of the antenna. On the other side, it makes the antenna invisible for the hostile radar out-of-band. The key part of this research project is firstly to do theoretical research on the interaction mechanism between a novel hybrid metamaterial invisible curved radome and the monopulse antenna. Secondly, the equivalent constitutive parameters and transmission/absorption characteristics of the radome is learned; and the radiation and invisibility properties of the radome-enclosed monopulse antenna is studied under different geometries, different incident angles and different polarizations. A novel hybrid metamaterial structure combining the metamaterial frequency selective surface and metamaterial absorber is proposed to realize the curved radome. The planar and curved hybrid metamaterials are theoretically investigated, simulated and optimized. Several periodic units of them are fabricated and tested to improve the theoretical and numeric methods. Finally, the hybrid metamaterial invisible curved radome is manufactured and measured with the monopulse antenna to verify our theoretical research work.

导弹及其他飞行体的隐身可以减小敌方雷达截获，增加战场生存能力。但一般的雷达导引头及机载雷达都具有较强的雷达反射回波。故研制隐身曲面天线罩对导弹和飞机及其他飞行体的隐身具有重要意义。隐身天线罩一方面对天线进行物理保护，使天线在自身工作频带内性能更卓越；另一方面，在带外对敌方雷达实现隐身。本项目研究的核心内容是从理论方面着手深入细致地研究新型复合超材料隐身曲面天线罩与单脉冲天线的交互作用机理。在不同几何结构、不同入射角和不同极化等条件下，研究该天线罩的等效媒质参数、透波性能和吸波性能；研究天线罩加载后单脉冲天线的辐射性能和隐身性能。提出一种由超材料频率选择表面和超材料吸波材料复合的新型电磁结构以满足复合超材料曲面天线罩电磁性能的要求。对平面和曲面复合超材料周期性结构分别进行理论研究和优化仿真，并制作和测量其性能，以验证理论分析方法的正确性。最终研制出复合超材料隐身曲面天线罩进行实验验证。

导弹及其他飞行体的隐身可以减小敌方雷达截获，增加战场生存能力。但一般的雷达导引头及机载雷达都具有较强的雷达反射回波。故需要研制隐身天线罩对导弹和飞机及其他飞行体上的天线实施物理和电磁保护，同时降低其雷达散射截面，达到隐身的目的。主要研究了具有一个通带和通带双侧的高低频带上各有一个吸波频带的复合超材料周期结构。通带内，可以让被罩天线自由通信。吸波频带对敌方雷达来波具有吸收作用，入射的敌方雷达来波不再反射回去，从而大大减小了被罩天线的雷达散射截面，很好地实现隐身。.1. 取得的主要研究进展：设计出了多种复合超材料周期结构，并对其中两种结构进行了加工测试， 测试内容包括该周期结构的传输/反射系数。并将周期结构和天线相结合，得到被罩天线的辐射特性和雷达散射截面特性等。.2. 重要结果：通过对复合超材料的单元结构进行仿真，对加工后的复合超材料进行传输/反射特性测试、对复合超材料天线罩-天线一体化结构的增益、雷达散射截面等特性的测量，得知本项目设计的复合超材料能在某一个频带上实现电磁透明特性，在该频带两侧的高低频带上对电磁波进行吸收的特性。.3. 关键数据：复合超材料周期结构最关键的数据为其传输/反射系数、复合超材料天线罩-天线一体化结构的增益随频率变化和雷达散射截面随频率变化数据。.4. 数据的科学意义：复合超材料周期结构的传输/反射系数能预测该结构和天线形成一体化结构后的各项性能。传输系数曲线中，透波频带就是当天线被该复合超材料周期结构罩上时，能正常工作的频带。在这个透波频带内，罩在天线上的复合超材料周期结构对于天线来说是电磁透明的，天线能自由地收发电磁信号，进行通信等。当传输系数和反射系数同时小于-10dB的情况下，可以认为在这样的频带内，该复合超材料周期结构展示了其吸波特性，即照射到该周期结构上的电磁波既没有穿透该周期结构，继续辐射下去，又没有被该周期结构按原路反射回去，而是被该周期结构的特殊结构吸收了，电磁能量耗散在了该周期结构中。.5. 应用前景：该复合超材料周期结构能应用在雷达系统的天线罩中，是雷达天线罩一种很好的选择。在雷达系统的工作频带上，该天线罩是电磁透明的，不妨碍雷达系统的通信或探测目标。在工作频带的两侧，有高低两个频带同时具有吸波特性。当敌方雷达工作在这两个吸波频带内的任意频率上，并照射到带复合超材料天线罩的我方雷达系统的天线上时，其电磁能量是被吸收。