一種寬角域散射增強(qiáng)超表面的研究?

豐茂昌 李勇峰? 張介秋 王甲富 王超 馬華 屈紹波?

(空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部,西安 710051)

(2018年5月29日收到；2018年7月2日收到修改稿)

1 引 言

隨著無(wú)線電通信系統(tǒng)的發(fā)展,后向散射增強(qiáng)器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.在民用領(lǐng)域,后向散射增強(qiáng)器件主要用于海上遇險(xiǎn)救援和航道通航安全.為了避免碰撞,配備后向散射增強(qiáng)器件的救生艇和木船能夠有效地增強(qiáng)自身的雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS),搜救人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并減少意外情況的發(fā)生.在有暗礁、淺礁、沉船等意外事故頻發(fā)的海域內(nèi)放置后向散射增強(qiáng)器件,可防止在特殊氣象條件下船舶航行出現(xiàn)意外.在軍用領(lǐng)域,后向散射增強(qiáng)器件主要作為偽裝目標(biāo),確保真實(shí)目標(biāo)安全,欺騙敵方,提高己方目標(biāo)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力.隨著我國(guó)隱身戰(zhàn)機(jī)的逐漸列裝,后向散射增強(qiáng)器件能夠有效地增強(qiáng)隱身戰(zhàn)機(jī)的RCS,有助于塔臺(tái)引導(dǎo)其安全著陸.此外,裝備有后向散射增強(qiáng)器件的導(dǎo)彈能夠便于我方實(shí)時(shí)掌握導(dǎo)彈的飛行軌道.

傳統(tǒng)的后向散射增強(qiáng)器件主要包括Luneburg透鏡[1,2]和角反射器[3].Luneburg透鏡能夠在一定角域范圍內(nèi)提供較大的RCS值,但是它一般由介質(zhì)制成,損耗較大且價(jià)格昂貴.角反射器作為后向散射增強(qiáng)器件的典型結(jié)構(gòu),其在實(shí)際應(yīng)用中也有比較顯著的缺點(diǎn).例如,它一般都由金屬材料制成,導(dǎo)致其重量較重、體積較大.目前,隨著對(duì)超表面研究的逐漸深入,利用相位梯度超表面控制散射增強(qiáng)在近幾年有著廣泛的研究.但是大多數(shù)研究都停留在單頻點(diǎn)或單一角度的后向散射增強(qiáng)上[4].實(shí)現(xiàn)寬角域和寬頻帶的后向散射增強(qiáng)是目前研究的難點(diǎn).

超表面[5?17]是具有亞波長(zhǎng)厚度的二維超材料,由二維亞波長(zhǎng)或深亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元陣列組成.通過(guò)對(duì)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元透射或反射系數(shù)幅值和相位空間分布的調(diào)制可實(shí)現(xiàn)對(duì)透射或反射波束波陣面、極化方式、傳播方向、傳播模式等的自由調(diào)控.因此其在微波元器件[18]、天線技術(shù)[19,20]、隱身技術(shù)[21,22]領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.相位梯度超表面[23?26]是一種亞波長(zhǎng)厚度的各向異性結(jié)構(gòu),能使入射電磁波發(fā)生相位突變.通過(guò)引入相位梯度能夠自由地調(diào)控反射波或透射波的傳播方向.

針對(duì)相位梯度超表面對(duì)電磁波調(diào)控的巨大優(yōu)勢(shì),本文提出引入兩個(gè)大小相等方向相反方向的相位梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)在一定角域范圍和一定帶寬范圍內(nèi)的RCS增強(qiáng).為了得到需要的相位響應(yīng),本文采用極化無(wú)關(guān)的耶路撒冷結(jié)構(gòu)單元來(lái)設(shè)計(jì)相位梯度.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了這種寬角域RCS增強(qiáng)超表面在?45?—45?角域范圍內(nèi)和9—12 GHz寬帶頻率范圍內(nèi)對(duì)于x和y極化波均有良好的RCS增強(qiáng)的效果.

2 寬角域RCS增強(qiáng)超表面設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理論

如圖1(a)所示,二面角角反射器是由兩塊形狀和尺寸相同的平板相互垂直交叉而成的角型結(jié)構(gòu).電磁波的入射角為θ,當(dāng)入射角在?45?＜ θ＜45?范圍內(nèi)時(shí),根據(jù)經(jīng)典反射定律,入射電磁波將經(jīng)過(guò)兩塊平板的反射,沿入射波的反方向回射.當(dāng)入射角θ=±45?時(shí),入射波經(jīng)過(guò)一塊平板的反射方向依然沿入射方向的反方向.因此,在?45?—45?的角域范圍內(nèi)能夠有效地增強(qiáng)單站RCS.通過(guò)以上分析可以看出,二面角角反射器是通過(guò)構(gòu)造幾何外形,依據(jù)經(jīng)典的反射理論來(lái)實(shí)現(xiàn)在?45?—45?角域范圍內(nèi)的單站RCS增強(qiáng).基于相位梯度超表面在調(diào)控反射波束波陣面的巨大優(yōu)勢(shì),我們引入相位梯度超表面來(lái)實(shí)現(xiàn)寬角域RCS增強(qiáng),如圖1(b)所示.根據(jù)廣義反射定律,對(duì)于入射角為45?的電磁波,ki是入射波的波矢,則它的面內(nèi)波矢為kix=kisin45?.要使反射的電磁波沿入射波的相反的方向傳播,需要在x方向上引入相位梯度?Φx,對(duì)入射波的面內(nèi)波矢提供動(dòng)量補(bǔ)償,從而改變反射波的傳播方向.為了使反射的電磁波沿入射波的相反方向傳播,需要補(bǔ)償?shù)拿鎯?nèi)波矢為k=?Φx=?2kisin45?.通過(guò)引入兩個(gè)大小相等方向相反的相位梯度,補(bǔ)償面內(nèi)波矢,分別控制?45?和45?方向上的入射電磁波沿入射方向返回；當(dāng)電磁波垂直入射時(shí),由于此時(shí)面內(nèi)補(bǔ)償?shù)牟ㄊ复笥趯㈦姶挪詈蠟楸砻娌ǖ母郊硬ㄊ?所以電磁波首先在一個(gè)區(qū)域內(nèi)被耦合成表面電磁波.當(dāng)電磁波傳播至另一區(qū)域時(shí),由于此時(shí)的相位梯度是反向的,因此此時(shí)電磁波再次被解耦為垂直反射的自由空間波,分別在?45?,0?,45?方向上形成散射峰,實(shí)現(xiàn)了寬角域RCS增強(qiáng)的效果.因此,設(shè)計(jì)的寬角域RCS增強(qiáng)超表面在?45?—45?的角域范圍內(nèi)均有較好的RCS增強(qiáng)的效果.

圖1 (a)二面角角反射器示意圖；(b)寬角域RCS增強(qiáng)超表面示意圖Fig.1.(a)Schematic diagram of the dihedral corner reflector；(b)schematic diagram of the wide-angle RCS enhancement metasurface.

2.2 超表面結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)

為了得到相應(yīng)的相位梯度,我們采用了經(jīng)典的耶路撒冷結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的相位響應(yīng).如圖2(a)所示,用來(lái)設(shè)計(jì)相位梯度超表面的結(jié)構(gòu)單元由三層組成,最上層為金屬耶路撒冷結(jié)構(gòu),中間層為F4B介質(zhì)基板(εr=2.65,tan(δ)=0.001),最下層為金屬反射背板.利用CST Microwave Studio軟件,優(yōu)化選擇的結(jié)構(gòu)單元的基本參數(shù)分別為p=5.3 mm,d=3 mm,a=(b?0.45)mm,w=0.2 mm.通過(guò)改變參數(shù)b的大小來(lái)改變電磁波以45?角入射時(shí)的反射相位.通過(guò)上面的理論分析,為達(dá)到反射波沿入射波的相反方向傳播的目的,需要的相位響應(yīng)分別為0?,?45?,?90?,?270?. 對(duì)應(yīng)在中心頻點(diǎn)10 GHz處,參數(shù)b的值分別為3.06,3.58,3.92,4.78 mm.

圖2 (a)耶路撒冷結(jié)構(gòu)單元示意圖；(b)四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的反射相位仿真結(jié)果；(c)四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的反射幅值仿真結(jié)果Fig.2.(a)Schematic diagram of the Jerusalem structural unit cell；(b)the reflection phase simulation results of four different structural parameters；(c)the reflection amplitude simulation results of four different structural parameters.

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證我們上面的設(shè)計(jì)思路,將本文設(shè)計(jì)的寬角域RCS增強(qiáng)超表面利用電磁仿真軟件CST Microwave Studio的頻域求解器求解,x,y,和z方向均設(shè)置為“open add space”邊界條件.分別仿真y極化波和x極化波的單站RCS曲線.

如圖3所示,綠色曲線代表設(shè)計(jì)的寬角域RCS增強(qiáng)超表面的單站RCS仿真結(jié)果,紅色曲線代表等尺寸金屬板的單站RCS仿真結(jié)果.從仿真結(jié)果可以看出,對(duì)于x和y兩種極化的電磁波,在9—12 GHz的寬帶頻率范圍內(nèi),本文設(shè)計(jì)的寬角域RCS增強(qiáng)超表面在?45?—45?的角域范圍內(nèi)均有比較明顯的RCS增強(qiáng)的效果.從圖3(b)可以看出,在設(shè)計(jì)的中心頻率f=10 GHz存在三個(gè)單站RCS增強(qiáng)的極大值點(diǎn),分別是?43?,0?,43?. 這與本文前面理論設(shè)計(jì)的RCS增強(qiáng)的極大值點(diǎn)?45?,0?,45?,存在少許的偏差.主要原因在于仿真計(jì)算反射相位時(shí)采用的是周期性邊界條件,相鄰單元之間都是同樣尺寸的單元結(jié)構(gòu),單元之間的耦合較強(qiáng)；而當(dāng)組成相位梯度時(shí),相鄰單元之間都是不同尺寸的單元結(jié)構(gòu),單元之間的耦合減弱,因此,實(shí)際的相位梯度與設(shè)計(jì)的相位梯度存在一定的偏差.從圖3(a)—(d)可以看出,在9—12 GHz范圍內(nèi)對(duì)于x和y兩種極化的電磁波,在單站RCS增強(qiáng)的三個(gè)極大值點(diǎn)處均有大于18 dB的增強(qiáng)效果.同時(shí)在?45?—45?的角域范圍內(nèi)都有比較明顯的RCS增強(qiáng)的效果.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以不同入射角入射到寬角域RCS增強(qiáng)超表面上時(shí)反射波傳播的主要方向,分別監(jiān)視y極化波以入射角θ= ?43?,0?,43?入射時(shí),寬角域RCS增強(qiáng)超表面在10 GHz處的三維后向遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖以及xoz平面內(nèi)的電場(chǎng)分量分布Ey.通過(guò)圖4(a)—(c)可以看出,當(dāng)入射波分別以入射角θ= ?43?,0?,43?入射時(shí),反射波的主要方向均沿入射波的相反的方向傳播出來(lái).通過(guò)圖5(a)和圖5(c)可以看出,當(dāng)入射波的入射角分別為θ=?43?,43?時(shí),反射波的波陣面沿入射波的相反方向傳播出來(lái).同時(shí),通過(guò)圖5(b)可以看出,當(dāng)電磁波垂直入射時(shí),在一個(gè)區(qū)域內(nèi)耦合為表面電磁波,傳播至另一區(qū)域再次解耦為垂直反射的自由空間波.這與前面的理論分析是一致的.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)的寬角域RCS增強(qiáng)超表面在?45?—45?的角域范圍內(nèi)和9—12 GHz寬帶頻率范圍內(nèi)具有良好的RCS增強(qiáng)的效果.采用平面印刷電路板技術(shù)加工制作了尺寸為254.4 mm×259.7 mm的寬角域RCS增強(qiáng)超表面的樣品.如圖6(c)所示,圖中藍(lán)色虛線的兩側(cè)分別由大小相等方向相反的相位梯度超單元組成.圖6(a)和圖6(b)給出了測(cè)試RCS測(cè)試的暗室環(huán)境,固定收發(fā)天線且處于相同的高度,將樣品固定,保持垂直,置于泡沫塔上并且垂直于收發(fā)天線.通過(guò)旋轉(zhuǎn)泡沫塔測(cè)試寬角域RCS增強(qiáng)超表面在?60?—60?方位角的單站RCS.固定樣品底座不動(dòng),將樣品金屬板背面朝向收發(fā)天線,同樣測(cè)量金屬板在?60?—60?方位角的單站RCS.圖7(a)—(d)給出了在x極化波入射的情況下,寬角域RCS增強(qiáng)超表面和等尺寸金屬板分別在9,10,11和12 GHz頻點(diǎn)處測(cè)試的單站RCS曲線對(duì)比.通過(guò)與仿真結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)金屬板的單站RCS在0?入射時(shí)比仿真結(jié)果小3 dB左右,主要原因是由于固定樣品的底座不能保證樣品處于嚴(yán)格的豎直狀態(tài),后向散射偏離入射方向.同時(shí),測(cè)試的寬角域RCS增強(qiáng)超表面的單站RCS曲線也與仿真結(jié)果有少許的偏差,主要原因有兩個(gè):一是加工樣品的F4B介質(zhì)基板與仿真基板的介電常數(shù)與損耗正切角有一定的偏差,導(dǎo)致測(cè)試RCS增強(qiáng)的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度與仿真的有少許偏差；二是固定樣品時(shí)未能保證樣品垂直于收發(fā)天線,導(dǎo)致樣品在入射角為0?時(shí),后向散射偏離入射方向,并沒(méi)有出現(xiàn)仿真中的極值點(diǎn).整體來(lái)看,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本符合,驗(yàn)證了寬角域RCS增強(qiáng)超表面?45?—45?的角域范圍內(nèi)良好的RCS增強(qiáng)效果.

圖3 (a)—(d)在y極化波入射的情況下,分別在9,10,11和12 GHz頻點(diǎn)處的寬角域RCS增強(qiáng)超表面與等尺寸金屬板的單站RCS仿真曲線對(duì)比；(e)—(h)在x極化波入射的情況下,分別在9,10,11和12 GHz頻點(diǎn)處的寬角域RCS增強(qiáng)超表面與等尺寸金屬板的單站RCS仿真曲線對(duì)比Fig.3.(a)–(d)Simulated mono-static RCS curves of wide-angle RCS enhancement metasurface and equal size metal platefor y polarized wave incidence at 9,10,11 and 12 GHz；(e)–(h)Simulated mono-static RCS curves of wide-angle RCS enhancement metasurface and equal size metal platefor x polarized wave incidence at 9,10,11 and 12 GHz.

圖4 (a)—(c)y極化波分別以入射角θ=?43?,0?,43?入射時(shí),寬角域RCS增強(qiáng)超表面在10 GHz處的三維后向遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖Fig.4.(a)–(c)Backward far-filed patterns of the designed wide-angle RCS enhancement metasurfacefor y polarized wave incidence with the incidence angle θ = ?43?,0?,and 43? at 10 GHz.

圖5 (a)—(c)y極化波分別以入射角θ=?43?,0?,43?入射時(shí),寬角域RCS增強(qiáng)超表面在10 GHz處,xoz平面內(nèi)的電場(chǎng)分量分布EyFig.5.(a)–(c)The simulated distributions of the electric filed components of the designed wide-angle RCS enhancement metasurfacefor y polarized wave incidence with the incidence angle θ = ?43?,0?,and 43? at 10 GHz.

圖6 (a)微波暗室環(huán)境；(b)固定寬角域RCS增強(qiáng)超表面樣品；(c)加工的寬角域RCS增強(qiáng)超表面樣品照片,其中插入的兩張圖片分別代表設(shè)計(jì)的兩個(gè)大小相等方向相反的相位梯度超單元的局部放大圖Fig.6.(a)Environment of anechoic chamber；(b)fixed the wide-angle RCS enhancement metasurface；(c)sample photograph of the designed wide-angle RCS enhancement metasurface,where the inserts are the zoom views presenting the detail information of different super-cells.

圖7 (a)—(d)在x極化波入射的情況下,分別在9,10,11和12 GHz頻點(diǎn)處的寬角域RCS增強(qiáng)超表面與等尺寸金屬板的測(cè)試單站RCS曲線對(duì)比Fig.7.(a)–(d)Measured mono-static RCS curves of wide-angle RCS enhancement metasurface and equal size metal platefor x polarized wave incidence at 9,10,11 and 12 GHz.

5 結(jié) 論

本文提出并驗(yàn)證了通過(guò)引入兩個(gè)大小相等方向相反的相位梯度綜合調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了寬角域RCS增強(qiáng).仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了在?45?—45?的角域范圍內(nèi)和9—12 GHz寬帶頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的寬角域RCS增強(qiáng)超表面具有顯著的RCS增強(qiáng)效果.與傳統(tǒng)的后向散射增強(qiáng)器件相比,本文設(shè)計(jì)的寬角域RCS增強(qiáng)超表面具有RCS增強(qiáng)的角域范圍可靈活設(shè)計(jì)、質(zhì)量輕、厚度薄、體積小等優(yōu)點(diǎn).