一種雙寬帶雷達(dá)散射截面減縮的超表面設(shè)計(jì)方法

王維婧 史琰，2 孟贊奎 孟浩軒

（1. 西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710071；2. 人工智能與數(shù)字經(jīng)濟(jì)廣東省實(shí)驗(yàn)室 智能超材料中心，廣州 510330）

引 言

雷達(dá)目標(biāo)的低可探測性對于隱身平臺(tái)至關(guān)重要.為了避免被雷達(dá)探測發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)散射截面(radar cross section, RCS)的減縮技術(shù)成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一. 目前為止，各種目標(biāo)的RCS 減縮技術(shù)相繼被提出[1-21]. 目標(biāo)外形優(yōu)化方法作為一種最常用的降低目標(biāo)RCS 的方法，通過改變目標(biāo)的外部形狀，入射波能夠被目標(biāo)散射到除入射方向以外的其他方向上. 但目標(biāo)外形的變化通常會(huì)引起其他性能的改變，如氣動(dòng)性能的惡化. 吸波材料是另一種常用于降低RCS的方法[1]，近年來基于超構(gòu)材料的吸波結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)近乎理想的吸波特性[2]. 通過合理的超構(gòu)材料設(shè)計(jì)，使其等效阻抗近似等于自由空間的波阻抗，從而入射波能夠無反射地進(jìn)入到吸波結(jié)構(gòu)中；同時(shí)吸波結(jié)構(gòu)中的有耗電介質(zhì)[3-4]、有耗磁介質(zhì)[5-6]、阻抗型表面[7-8]和集總電阻[9-10]等損耗材料進(jìn)一步將入射波的電磁能量消耗掉并轉(zhuǎn)換為熱. 吸波材料的使用對目標(biāo)會(huì)造成一定的負(fù)面影響，如應(yīng)用在天線的周圍會(huì)造成其輻射性能的惡化.

近年來一些無耗的超表面結(jié)構(gòu)被提出用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的RCS 減縮. 基于相位相消的原理，由兩種相位近似相差180°的結(jié)構(gòu)組成棋盤陣列可以實(shí)現(xiàn)后向散射波的抵消，例如電磁帶隙結(jié)構(gòu)(electromagnetic band gap, EBG)與理想導(dǎo)體構(gòu)成的棋盤結(jié)構(gòu)[11]，人工磁導(dǎo)體(artificial magnetic conductor, AMC)和理想導(dǎo)體構(gòu)成的棋盤結(jié)構(gòu)[12]，兩種AMC 構(gòu)成的棋盤結(jié)構(gòu)[13-14]等.作為棋盤式結(jié)構(gòu)的一種通用情況，具有合理排布0 單元和1 單元的1 比特超表面能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波的漫散射特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)RCS 的減縮[15-16]. 此外，一些具有極化旋轉(zhuǎn)特性的超表面也被提出用于目標(biāo)的RCS 減縮[16-21]. 將極化旋轉(zhuǎn)超表面旋轉(zhuǎn)90°后所得的結(jié)構(gòu)與原超表面結(jié)構(gòu)之間具有180°的反射相位差，因此將極化旋轉(zhuǎn)超表面旋轉(zhuǎn)排布組陣就能夠?qū)崿F(xiàn)極化相消，從而達(dá)到低RCS 特性. 目前基于極化相消技術(shù)設(shè)計(jì)的超表面可以在某個(gè)較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)低RCS 的特性，但一旦超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，其對應(yīng)的減縮頻帶也相應(yīng)地固定. 若要改變RCS 減縮的工作頻帶，需要對超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)的通用性大大受限.

頻率選擇表面(frequency selective surface, FSS)是一種由相同單元組成的二維陣列結(jié)構(gòu)，可看作一種超表面結(jié)構(gòu)[22-25]. 由于其具有高通、低通、帶通和帶阻等靈活的頻率響應(yīng)特性，已成為一個(gè)廣泛研究的課題. 本文首次提出一種基于FSS 的雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面設(shè)計(jì)方法，通過將低通的FSS 和兩個(gè)極化旋轉(zhuǎn)超表面陣列相集成，所得的陣列具有雙帶的極化旋轉(zhuǎn)特性；進(jìn)一步將得到的陣列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)排布布陣，從而實(shí)現(xiàn)雙帶的低RCS 特性. 仿真與實(shí)測結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在6.6～12.7 GHz 和27.8～38.1 GHz兩個(gè)頻帶實(shí)現(xiàn)了-10 dB 的RCS 減縮.

1 基于FSS 的超表面設(shè)計(jì)

1.1 極化旋轉(zhuǎn)超表面設(shè)計(jì)

不失一般性，假設(shè)一個(gè)x極化的入射波照射到該陣列上，則入射電場Einc被分解為沿著φ=-45°和φ=45°兩極化方向電場的疊加，即

根據(jù)式(3)可知：對于具有x極化的入射電場而言，反射電場的方向沿y方向；由于結(jié)構(gòu)的對稱性，y極化的入射波入射，可以得到x極化的散射波. 從而表明所設(shè)計(jì)的陣列具有極化旋轉(zhuǎn)的特性.

圖1 極化旋轉(zhuǎn)超表面單元Fig. 1 Polarization conversion metasurface unit cell

圖2 均勻平面波沿兩個(gè)方向入射到無限大超表面陣列的S11Fig. 2 Incidence of the plane waves in 2 directions of S11 on the infinite periodic array

1.2 FSS 設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)低通的FSS 來實(shí)現(xiàn)雙帶響應(yīng)，如圖3(a) 所示，F(xiàn)SS 單元是由兩層等尺寸的金屬貼片構(gòu)成，一個(gè)空氣層位于兩層金屬貼片之間. 利用等效電路的方法設(shè)計(jì)FSS 的低通響應(yīng)，上層和下層的金屬貼片等效為并聯(lián)電容C1和C3，中間的空氣層可以等效為一個(gè)并聯(lián)的LC諧振器，即L和C2，F(xiàn)SS 結(jié)構(gòu)的上半空間和下半空間可以用空間的特性阻抗Z01和Z02來表征. 由于上半空間和下半空間都為空氣，所以Z01=Z02≈377 Ω. 整個(gè)FSS 結(jié)構(gòu)的等效電路如圖3(b)所示. 等效電路中的各個(gè)集總參量的初始值都能用解析公式[21]求得：

圖3 低通FSS 結(jié)構(gòu)Fig. 3 The low-pass FSS structure

式中：FSS 結(jié)構(gòu)周期D=6 mm；每層中兩個(gè)相鄰貼片間距s=2 mm；空氣層厚度h=3 mm. 將結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)代入式(4)～(6)來確定初始的等效電路集總參量，并利用ADS 軟件進(jìn)一步優(yōu)化，即可獲得等效電路中最終的參量值，如表1 所示. FSS 結(jié)構(gòu)全波仿真和等效電路計(jì)算得到的S 參數(shù)對比結(jié)果如圖4 所示，可以看出兩者吻合良好，說明所提出的FSS 結(jié)構(gòu)具有低通的頻率響應(yīng).將低通FSS 結(jié)構(gòu)與極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成，即將FSS 結(jié)構(gòu)的第一層印制在極化旋轉(zhuǎn)超表面介質(zhì)的背面以取代極化旋轉(zhuǎn)超表面的地板. 圖5 為集成后結(jié)構(gòu)的S11共極化和交叉極化分量的仿真結(jié)果. 可以看出，在27.7～37.9 GHz 頻帶內(nèi)，S11的交叉極化分量比共極化分量高10 dB 以上，說明集成后的結(jié)構(gòu)具有良好的極化旋轉(zhuǎn)特性. 圖6 給出了集成后結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)S11和傳輸系數(shù)S21的仿真結(jié)果. 可以看出集成后的結(jié)構(gòu)在低頻段仍具有良好的傳輸特性，為獲得雙帶極化旋轉(zhuǎn)特性打下基礎(chǔ).

表1 FSS 結(jié)構(gòu)等效電路集總參數(shù)Tab. 1 Lumped parameters of equivalent circuit of FSS structure

圖4 低通FSS 結(jié)構(gòu)等效電路與全波仿真所得S 參數(shù)對比Fig. 4 Comparison of S parameters of the FSS structure between the equivalent circuit and full-wave simulation.

圖5 集成后結(jié)構(gòu)S11 共極化和交叉極化分量對比Fig. 5 Co-polarized and cross-polarized components of the S11 when integrating the FSS structure and the metasurface array with the polarization conversion characteristic

圖6 集成后結(jié)構(gòu)S11 和S21 仿真結(jié)果Fig. 6 S parameters when integrating the FSS structure S11 and S21

2 雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面設(shè)計(jì)

基于1.2 節(jié)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖7 所示. 一個(gè)高頻極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)印制在F4B 介質(zhì)(相對介電常數(shù)為2.2)的上表面，一個(gè)低頻極化旋轉(zhuǎn)超表面印制在FR4 介質(zhì)(相對介電常數(shù)為4.4)的下表面. 高頻極化旋轉(zhuǎn)超表面為12×12 的子陣列，低頻極化旋轉(zhuǎn)超表面為6×6 的子陣列. 低通FSS 結(jié)構(gòu)上層貼片印制在F4B 介質(zhì)的下表面，F(xiàn)SS 結(jié)構(gòu)下層貼片印制在FR4介質(zhì)的上表面. 一個(gè)金屬板放置在距下層介質(zhì)6 mm處，整體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖如圖8(a)和(b)所示.圖8(c) 分別給出了低頻和高頻極化旋轉(zhuǎn)單元以及FSS 單元的結(jié)構(gòu). 表2 列出了雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸. 圖9 為極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)在5～15 GHz 和20～40 GHz 兩個(gè)頻帶反射系數(shù)的共極化分量和交叉極化分量. 可以看出在6.5～12.3 GHz和26.8～38 GHz 的兩個(gè)頻帶內(nèi)，交叉極化分量比共極化分量高出10 dB. 圖10 為極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻帶中的極化旋轉(zhuǎn)率，極化旋轉(zhuǎn)率為交叉極化分量與總分量的比值. 可以看出在6.2～12.5 GHz和25.9～38.3 GHz 的兩個(gè)頻帶內(nèi)極化旋轉(zhuǎn)率均大于0.9，說明在雙頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的極化旋轉(zhuǎn)特性.

圖7 雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面三維結(jié)構(gòu)Fig. 7 The proposed 3D dual-band structure with the polarization conversion

圖8 雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面Fig. 8 Dual-band metasurface with polarization conversion characteristic

圖9 雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面兩個(gè)頻帶反射系數(shù)的共極化和交叉極化分量Fig. 9 Co-polarized and cross-polarized components of S parameter of the proposed dual-band metasurface structure

圖10 雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面兩個(gè)頻帶內(nèi)的極化旋轉(zhuǎn)率Fig. 10 Polarization conversion ratio of the proposed dualband metasurface structure

表2 雙帶極化超表面結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)Tab. 2 Geometric parameters of dual-band polarization metasurface structuremm

從上述設(shè)計(jì)過程可以看出，雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面設(shè)計(jì)方法能夠很容易擴(kuò)展到不同的工作頻帶. 如保持高頻極化旋轉(zhuǎn)超表面和FSS 幾何尺寸不變，通過改變低頻極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，即可實(shí)現(xiàn)低極化旋轉(zhuǎn)頻帶的改變. 圖11 為新雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面單元結(jié)構(gòu)俯視圖，低頻極化旋轉(zhuǎn)單元幾何尺寸改為：LR1=25 mm,WR1=2.8 mm,T2=18 mm，其他幾何尺寸與雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面的幾何尺寸保持一致.圖12 和13 分別為新雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面在2～9 GHz 和25～40 GHz 兩個(gè)頻帶內(nèi)反射系數(shù)的共極化和交叉極化分量以及對應(yīng)的極化旋轉(zhuǎn)率. 可以看出在2.2～5.7 GHz 和26.1～38.3 GHz 兩個(gè)頻帶內(nèi)，新雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面的極化旋轉(zhuǎn)率大于0.9，實(shí)現(xiàn)了良好的極化旋轉(zhuǎn)特性. 對比雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面的極化旋轉(zhuǎn)頻帶可知，新設(shè)計(jì)的超表面其高極化旋轉(zhuǎn)頻帶有所展寬，但總體保持不變，而低極化旋轉(zhuǎn)頻帶明顯向低頻偏移. 盡管目前單一頻帶極化旋轉(zhuǎn)超表面設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的極化旋轉(zhuǎn)帶寬[25]，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一旦確定，其極化旋轉(zhuǎn)的工作頻帶也相應(yīng)確定，若需要改變其極化旋轉(zhuǎn)頻帶，則必須重新優(yōu)化設(shè)計(jì)整個(gè)極化旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，因此其設(shè)計(jì)通用性較差. 本文所提出的雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面設(shè)計(jì)方法能夠更加靈活地實(shí)現(xiàn)極化旋轉(zhuǎn)頻帶的操控，從而大大簡化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度.

圖11 新雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面結(jié)構(gòu)俯視圖Fig. 11 New dual-band metasurface with polarization conversion characteristic

圖12 新雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面兩個(gè)頻帶反射系數(shù)的共極化分量和交叉極化分量Fig. 12 Co-polarized and cross-polarized components of S parameter of the newly proposed dual-band metasurface structure

圖13 新雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面兩個(gè)頻帶的極化旋轉(zhuǎn)率Fig. 13 Polarization conversion ratio of the newly proposed dual-band metasurface structure

將雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)排布獲得一個(gè)2×2 的陣列來實(shí)現(xiàn)RCS 減縮特性，如圖14 所示. 雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面子陣列和其旋轉(zhuǎn)90°后子陣列的反射相位相差180°，從而由極化相消原理可知，將兩者排列成2×2 的超表面陣列結(jié)構(gòu)能夠在雙頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)RCS 的減縮特性. 對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，其實(shí)物及RCS 測試環(huán)境如圖15 所示.

圖14 雙帶RCS 減縮超表面三維結(jié)構(gòu)Fig. 14 The proposed dual-band 3D structure for RCS reduction

圖15 雙帶RCS 減縮超表面實(shí)物及RCS 測試環(huán)境Fig. 15 The fabricated metasurface prototype and its RCS measurement environment

圖16 為超表面結(jié)構(gòu)和同尺寸金屬板后向RCS仿真和實(shí)測結(jié)果對比. 可以看出，在6.1～11.7 GHz和28.2～36.6 GHz 中，實(shí)測超表面結(jié)構(gòu)比同尺寸金屬板后向RCS 小10 dB 以上. 仿真-10 dB RCS 減縮的頻帶為6.6～12.7 GHz 和27.8～38.1 GHz，實(shí)測與仿真結(jié)果基本保持一致.

圖16 兩種結(jié)構(gòu)后向RCS 仿真和實(shí)測結(jié)果Fig. 16 Measured backscattering RCS of the proposed dualband metasurface structure

圖17 為雙帶RCS 減縮超表面結(jié)構(gòu)與同尺寸金屬板在10 GHz 和30 GHz 斜入射情況下φ=0°平面內(nèi)雙站RCS 仿真結(jié)果. 可以看出，當(dāng)入射波的俯仰角為θ=-10°、θ=-20°、θ=-30°時(shí)，金屬板將會(huì)在θ=10°、θ=20°、θ=30°產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的鏡面散射波束，超表面結(jié)構(gòu)能夠明顯地減弱散射波的波束強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)RCS 的減縮.

圖17 10 GHz 和30 GHz 斜入射平面波照射下的雙站RCSFig. 17 Bistatic RCS of the oblique plane waves at 10 GHz and 30 GHz

3 結(jié) 論

本文提出了一種疊層型的超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)雙帶目標(biāo)RCS 減縮，設(shè)計(jì)了高頻段和低頻段兩個(gè)極化旋轉(zhuǎn)超表面陣列，以及一個(gè)低通的FSS. 將三個(gè)結(jié)構(gòu)集成在一起，形成了雙帶極化旋轉(zhuǎn)超表面陣列，并將該陣列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)排布成2×2 的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)雙帶低RCS 特性. 文中實(shí)測和仿真結(jié)果吻合良好，顯示所提出的超表面結(jié)構(gòu)在6.6～12.7 GHz 和27.8～38.1 GHz 兩個(gè)頻帶內(nèi)具有-10 dB 的RCS 減縮性能.文中所提出的設(shè)計(jì)方法能夠靈活地操控兩個(gè)不同的極化旋轉(zhuǎn)頻帶，從而適用于具有雙可調(diào)頻帶的低RCS 特性應(yīng)用場景.