有源頻率選擇表面在龍伯透鏡反射器RCS 控制中的應(yīng)用

安君帥，陳 章，吳東輝

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司 江蘇 南京 210016）

0 引言

龍伯透鏡是R. K. Luneburg 在1944 年基于幾何光學(xué)理論提出的一種分層均勻介質(zhì)球［1-3］，龍伯透鏡的最內(nèi)層的相對(duì)介電常數(shù)是2，最外層球面的相對(duì)介電常數(shù)是1，介電常數(shù)分布是1 ～2 的均勻連續(xù)分布的介質(zhì)球，實(shí)際都是用有限的層數(shù)來(lái)逼近，并且從內(nèi)到外的每層的相對(duì)介電常數(shù)滿(mǎn)足特定的規(guī)律。 因?yàn)槠渚哂刑厥獾慕殡姵?shù)分布，所以它對(duì)入射電磁波進(jìn)行聚焦形成焦點(diǎn)。 如果在焦點(diǎn)處放置金屬反射板，就形成了龍伯透鏡反射器，一方面可以有效增強(qiáng)這個(gè)方向的單站雷達(dá)散射截面（radar cross section，RCS）；另一方面，如果在焦點(diǎn)處放置饋源天線(xiàn)，就可以形成龍伯透鏡天線(xiàn)，該天線(xiàn)具有寬帶、增益高、多波束等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信領(lǐng)域。 而龍伯透鏡反射器通常用來(lái)增強(qiáng)靶機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、艦船和漁船的RCS，以便我方雷達(dá)探測(cè)，在電子對(duì)抗、雷達(dá)反射器等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。 但是，龍伯透鏡反射器的RCS 增強(qiáng)特性通常固定不變，然而在一些特殊情況下需要改變它的RCS 增強(qiáng)特性［4］。 對(duì)于龍伯透鏡反射器RCS 的研究大多集中在龍伯透鏡的本身，對(duì)于其RCS 控制的研究較少，因此研究可以調(diào)控RCS 的龍伯透鏡反射器十分有意義。

頻率選擇表面（frequency selective surface，F(xiàn)SS）是一種在二維平面上周期性排布在介質(zhì)襯底上的金屬貼片或者縫隙單元組成的結(jié)構(gòu)，而有源頻率選擇表面（active frequency selective surface，AFSS）是一種在頻率選擇表面中加入PIN 管、變?nèi)荻O管等有源器件的人工電磁新材料。 由于有源器件的特性通常受電壓控制，因此通過(guò)在AFSS 上加載直流偏置網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其頻率、相位特性的主動(dòng)調(diào)控。 它是一種可以對(duì)電磁波進(jìn)行選擇的濾波器，可以通過(guò)設(shè)計(jì)在特定頻段對(duì)電磁波進(jìn)行特定的吸收、透射和反射，可以被廣泛應(yīng)用在電磁隱身、智能蒙皮、雷達(dá)天線(xiàn)罩、電子對(duì)抗等軍事領(lǐng)域中，因而具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。

AFSS 和龍伯透鏡本身應(yīng)用價(jià)值較大，因此關(guān)于AFSS和龍伯透鏡的研究很多，但是大多數(shù)集中在龍伯透鏡反射器和AFSS 本身，利用AFSS 來(lái)控制龍伯透鏡反射器的研究很少。 由于AFSS 可以主動(dòng)調(diào)控自己的反射和透射狀態(tài)，因此，本文創(chuàng)新性地將AFSS 和龍伯透鏡反射器結(jié)合，設(shè)計(jì)一種透射和反射狀態(tài)可切換的AFSS 陣列來(lái)代替龍伯透鏡反射器的反射板，構(gòu)成了新型龍伯透鏡反射器，進(jìn)而可以主動(dòng)調(diào)控龍伯透鏡反射器的RCS。

1 具備透射和反射狀態(tài)可切換功能的AFSS 設(shè)計(jì)

龍伯透鏡反射器的金屬反射板是用來(lái)對(duì)焦點(diǎn)處的電磁波進(jìn)行反射的，因此，只要設(shè)計(jì)出具有反射和透射功能可調(diào)的AFSS，就可以代替反射板，圖1 是設(shè)計(jì)的透射和反射狀態(tài)可切換的AFSS 的單元結(jié)構(gòu)圖，在金屬圓環(huán)貼片縫隙結(jié)構(gòu)中對(duì)稱(chēng)地加入四個(gè)PIN 二極管，調(diào)節(jié)PIN 二極管的通斷狀態(tài)，進(jìn)而控制AFSS 在透射和反射狀態(tài)之間切換［5］。 經(jīng)過(guò)商用電磁仿真軟件CST 優(yōu)化后，單元尺寸參數(shù)如下：a＝4 mm，b＝4.5 mm，p＝10 mm，h＝0.5 mm，w＝0.2 mm，介質(zhì)底板的相對(duì)介電常數(shù)ε＝2.2。

圖1 透射反射型AFSS 單元結(jié)構(gòu)

利用CST 對(duì)AFSS 進(jìn)行仿真時(shí)，PIN 二極管斷開(kāi)狀態(tài)可以模擬為50000Ω 的電阻與0.12 pF 電容的串聯(lián)，而導(dǎo)通時(shí)可以模擬為1 Ω 的電阻和0.7 nH 電感串聯(lián)，AFSS 仿真時(shí)邊界條件如下：x和y方向邊界條件為“Unit cell”，z方向邊界條件為“open and add space”。 仿真結(jié)果如圖2所示，PIN 處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，在11.5 GHz 左右，S11小于-10 dB，處于透射狀態(tài)；當(dāng)PIN 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在11.5 GHz 時(shí)，S11大于-3 dB，處于反射狀態(tài)，可以認(rèn)為，在該頻點(diǎn)附近AFSS 能夠進(jìn)行透射和反射狀態(tài)的主動(dòng)切換。

圖2 AFSS 的S11 仿真結(jié)果

AFSS 上內(nèi)嵌的PIN 二極管需要加載直流偏置電壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通斷狀態(tài)的控制，為此設(shè)計(jì)了饋電網(wǎng)絡(luò)。 如圖3 所示，AFSS 正面的圓形貼片通過(guò)金屬通孔和背面的十字型金屬連接起來(lái)，在正面金屬部分直接加電壓負(fù)極，在背面的金屬饋線(xiàn)加電壓負(fù)極，就可以使得PIN 二極管導(dǎo)通，不加電時(shí)，PIN 二極管處于斷開(kāi)狀態(tài)。

圖3 AFSS 饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 新型龍伯透鏡反射器設(shè)計(jì)

2.1 龍伯透鏡性能仿真驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的龍伯透鏡共有三層，由內(nèi)到外，每層厚度依次為2.88 cm、1.83 cm、2.01 cm，每層相對(duì)介電常數(shù)依次為1.96、1.8、1.49［6-8］。 利用CST 對(duì)龍伯透鏡聚集特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，11.5 GHz 的水平極化平面電磁波照射下，龍伯透鏡的近場(chǎng)分布如圖4 所示，可以觀察到左側(cè)龍伯透鏡外表面附近存在明顯焦點(diǎn)，說(shuō)明該龍伯透鏡可以對(duì)電磁波進(jìn)行聚焦。

圖4 龍伯透鏡在11.5 GHz 時(shí)的焦點(diǎn)仿真

2.2 新型龍伯透鏡反射器RCS 仿真驗(yàn)證

在圖5 中，利用設(shè)計(jì)的AFSS 的7×7 陣列來(lái)取代龍伯透鏡反射器的反射板，該陣列到龍伯透鏡的球心距離d＝200 mm。 在頻率11.5 GHz 時(shí)，設(shè)置平面波入射，利用CST對(duì)新型龍伯透鏡的單站RCS 進(jìn)行仿真。 Theta 為90°～270°內(nèi)的RCS 仿真結(jié)果如圖6 所示，當(dāng)控制PIN 二極管斷開(kāi)時(shí)，AFSS 處于透射狀態(tài)，龍伯透鏡反射器的RCS 不會(huì)明顯增強(qiáng)，而當(dāng)控制PIN 二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，此時(shí)AFSS 具有反射功能，170°～190°范圍內(nèi)的RCS 約有20 dB的增強(qiáng)，仿真結(jié)果說(shuō)明新型龍伯透鏡反射器的RCS 是可以調(diào)控的［9-10］。

圖5 新型龍伯透鏡反射器示意圖

圖6 新型龍伯透鏡反射器RCS 仿真結(jié)果

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，PIN 二極管斷開(kāi)時(shí)，AFSS 和金屬板功能一樣，可以反射龍伯透鏡焦點(diǎn)處的電磁波，所以可以增強(qiáng)這個(gè)方向的單站RCS；而當(dāng)PIN 二極管導(dǎo)通時(shí)，AFSS 處于透射狀態(tài)，龍伯透鏡焦點(diǎn)處的電池波大部分從AFSS 上透射出去，因此無(wú)法增強(qiáng)RCS。

為了提高新型龍伯透鏡反射器的功能，研究人員可以從AFSS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，比如提高AFSS 角度穩(wěn)定性，使得其在大角度入射下保持穩(wěn)定的性能。 為了控制龍伯透鏡反射器增強(qiáng)RCS 的角度范圍，一方面可以控制AFSS 工作在反射狀態(tài)下的陣列個(gè)數(shù)，比如7×7 的陣列中有3×3處于反射狀態(tài)，其他處于透射狀態(tài)，此時(shí)相當(dāng)于控制反射板的面積，從而達(dá)到控制龍伯透鏡反射器增強(qiáng)RCS 的角度范圍。 另一方面，龍伯透鏡反射器在實(shí)際應(yīng)用中，其金屬反射板多是曲面，因此可以對(duì)曲面AFSS 進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)出具有良好性能的曲面AFSS 陣列，來(lái)代替金屬反射板，可以更加有效地增強(qiáng)RCS。

本文僅僅研究了透射和反射狀態(tài)可以切換的AFSS對(duì)龍伯透鏡反射器RCS 主動(dòng)調(diào)控的辦法，而AFSS 功能繁多，種類(lèi)很多，利用其他類(lèi)型的AFSS 來(lái)代替反射波的功能，如具備反射和吸波功能可調(diào)控的AFSS，也可達(dá)到控制其RCS 的目的。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款在11.5 GHz 附近可以主動(dòng)切換透射和反射狀態(tài)的AFSS，對(duì)AFSS 饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且利用該AFSS 陣列來(lái)代替龍伯透鏡反射器的反射板，能夠在170°～190°范圍內(nèi)主動(dòng)調(diào)控龍伯透鏡反射器的單站RCS，并且對(duì)AFSS 代替反射板的原理進(jìn)行詳細(xì)分析，闡述了新型龍伯透鏡反射器的后續(xù)研究方向，在電子對(duì)抗、雷達(dá)增強(qiáng)等領(lǐng)域有著重要的潛在軍用價(jià)值。