一种利用超表面结构的宽带高增益法布里-珀罗谐振腔天线，具有低雷达散射系数（RCS）特性

《Results in Engineering》：A Wideband High-Gain Fabry–Perot Resonator Cavity Antenna with Low-RCS Property Using Metasurface Structures

降低雷达散射截面的宽频带高增益微带贴片/法布里-珀罗谐振腔天线设计。该天线采用三层金属表面（部分反射面PRS、谐振互补表面RCM、棋盘式表面CBM）协同优化，通过特征模式分析（CMA）实现多模态相位补偿与结构紧凑化，阻抗带宽达37.3%（6.41-9.35 GHz），峰值增益14.9 dBi@7.0 GHz，全频段RCS降低10 dB以上。仿真与实测结果吻合，交叉极化抑制>20 dB。

　　这项研究提出了一种新型的宽带高增益微带贴片/法布里-珀罗（FP）谐振腔天线，该天线具备较低的雷达散射截面（RCS），在无线通信领域具有重要应用价值。天线由多个关键结构组成，包括微带贴片、地平面、双层部分反射面（PRS）、谐振互补超材料表面（RCM）以及棋盘式超材料表面（CBM）。这些结构的协同作用使得天线在特定频率范围内能够实现增强的增益、宽频带以及降低的RCS性能。该天线的设计通过结合超材料结构与FP谐振腔原理，优化了传统天线在增益、带宽以及隐身性能方面的不足。

在结构设计方面，该天线由四层基板构成，每层基板上均布置了特定的超材料结构。其中，第一层为微带贴片，作为辐射源；第二层为PRS，负责部分反射电磁波以形成谐振腔；第三层为RCM，用于拓宽带宽并提升增益；第四层为CBM，专门设计用于降低RCS。各层之间通过空气隔开，形成多个谐振腔，通过尼龙螺丝连接，确保结构稳定。天线整体尺寸为80 mm×80 mm，采用50Ω SMA接口进行馈电，便于集成和测试。

PRS的结构由圆形贴片和矩形槽组成，分别位于天线的上下层。这种结构设计使得天线能够在特定频率范围内实现高效的反射和传输，从而增强增益并拓宽带宽。通过仿真分析，PRS在7 GHz附近的反射系数达到-10 dB以下，对应的阻抗带宽为6.12 GHz至7.82 GHz，说明其在该频率范围内具有良好的性能。同时，PRS的结构设计还具有一定的灵活性，可以通过调整尺寸和形状来优化反射和传输特性。

RCM由三种不同尺寸的矩形贴片阵列组成，利用特征模式分析（CMA）技术对结构进行优化。CMA能够有效识别结构的谐振频率点和频率带，通过分析特征模式的显著性（MS）来确定结构的共振能力。研究发现，当MS值达到0.707以上时，结构的共振能力较强，容易被激发。RCM的设计使得天线在多个频率范围内实现谐振，从而增强其宽带特性。通过CMA对RCM的优化，能够有效提升天线的增益并拓宽其工作频段。

CBM的设计结合了两种4×4超材料结构，通过交叉排列的方式实现RCS的降低。CBM的结构分析表明，其在特定频率范围内能够显著降低雷达散射信号，达到10 dB以上的RCS衰减效果。实验结果显示，CBM在5.0 GHz至17.6 GHz的频率范围内实现了111.5%的RCS衰减带宽，这表明CBM在隐身性能方面表现出色。CBM的结构设计不仅降低了RCS，还保持了较低的交叉极化水平，进一步提升了天线的性能。

天线的性能分析表明，其阻抗带宽达到37.3%，在7 GHz处的峰值增益为14.9 dBi，且交叉极化大于20 dB。这些参数的提升得益于PRS、RCM和CBM的协同作用。此外，天线的辐射效率在阻抗带宽范围内达到93.0%至98.6%，说明其在实际应用中具有较高的能量转换效率。实验测量结果与仿真结果高度吻合，表明天线的设计具有可行性。

在实验验证方面，研究人员通过精密加工制造了该天线的原型，并在消声室中进行了测试。测试结果表明，天线在6.41 GHz至9.35 GHz的频率范围内阻抗带宽为37.3%，在7 GHz处的增益达到14.9 dBi，3 dB增益带宽为10%。同时，天线在5.0 GHz至17.6 GHz的频率范围内实现了111.5%的RCS衰减带宽，且单频段的RCS衰减达到10 dB以上。这些实验数据进一步验证了天线在宽带高增益和低RCS方面的性能优势。

通过对比分析，该天线在多个性能指标上优于其他类似结构。例如，其阻抗带宽和RCS衰减带宽均优于已有的相关天线设计。同时，其增益和交叉极化水平也表现出色，表明其在无线通信系统中具有广泛的应用前景。此外，该天线的设计结构较为简单，便于制造和安装，且成本较低，适合在实际工程中推广使用。

研究还指出，随着超材料技术的不断发展，未来可以进一步探索天线在毫米波频段和可重构技术中的应用。例如，通过调整超材料的结构参数，可以实现天线在更宽频率范围内的性能优化。此外，可重构技术的应用可以使天线具备动态调整增益、带宽和RCS的能力，从而适应不同环境下的通信需求。

总的来说，该研究提出了一种结合PRS、RCM和CBM的多层超材料结构，显著提升了天线的增益、带宽和隐身性能。实验结果表明，该天线在C波段和X波段无线通信中具有较高的应用价值。研究不仅验证了理论设计的可行性，还为未来的天线研究提供了新的思路和方法。