寬帶RCS縮減與高效透波一體的多功能編碼超表面設計

傅宇峰，王 晨，陳 平

(南京大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210093)

0 引言

隨著雷達探測技術的發展，對實現目標隱身的技術也提出了越來越高的要求，如何降低目標的雷達散射截面(Radar Cross Section,RCS)縮減成為這些年來研究者們的關注熱點。超材料能夠通過對結構和排布的設計實現一些自然材料所無法實現的奇異的電磁特性，這就為調控電磁波提供了嶄新的平臺，特別是在電磁隱身領域[1]。而超表面，作為一種二維的超材料，由于其低剖面、易制備、設計簡單的特點，更是被廣泛的關注和研究，同時通過簡單的二維平面結構設計對幅度、相位和極化狀態進行靈活調控，實現多種多樣的功能[2-6]。如，同時集成了低散射和傳輸特性的超表面[7-9]，它在實現寬帶的RCS縮減的同時，能夠在一定頻帶提供高效的傳輸窗口。

由Munk[10]提出的頻率選擇吸波體(Frequency Selective Rasorber,FSR)就是通過結合吸收型超表面和頻率選擇表面同時實現RCS縮減和傳輸功能的多功能超表面。隨后，Costa等人[11]結合電阻型超表面和帶通型頻率選擇表面實現了一個吸波體。但是由于損耗型超表面的引入，超表面的插損不可避免地會受到影響，必須要通過復雜的設計去解決這一問題實現低插損的傳輸。陳強等人[12]就通過對損耗型超表面引入復雜的多諧振結構降低了對Rasorber插損的影響，但是這種設計又增加了結構的復雜度。

當然，除了吸收之外，干涉相消也是實現寬帶RCS縮減的方法之一[13]。干涉相消型超表面可以通過特殊的基元排布方式，利用反射相位的不連續性將入射電磁波散射到不同方向上，實現RCS縮減。Paquay[14]提出了利用人工磁導體和完美電導體之間的180°反射相位差，結合棋盤式排布實現后向散射縮減。但由于完美電導體的恒定反射相位，RCS縮減頻帶較窄，因此也有一些工作提出用不同的人工磁導體實現散射相消[15-16]。但是，利用棋盤格的排布方式組成的干涉相消型超表面，其散射場在法向以外往往會有較強的副瓣。因此，為了防止出現較強副瓣，一些隨機排布的干涉相消型超表面也被提出[17-18]，能夠有效地降低超表面的雙站RCS。除此之外，由于干涉相消型超表面基元無耗的特性，它在低散射和傳輸特性集成的超表面設計中具有明顯的優勢，能夠有效地降低傳輸帶插損。

本文通過對基元等效電路模型的分析，得到了實現干涉對消的雙單元理想表面電抗關系，并基于電路相位調控，上層部分利用單層的帶阻型圖案實現在高頻的寬帶180°反射相位差，底層部分利用多層的非諧振結構實現低頻的寬帶傳輸，同時在帶外提供反射面，設計形成基元后，通過隨機排布組成的超表面在6.51～17.22 GHz實現了小于-10 dB的寬帶RCS縮減，同時在2.86～3.82 GHz有大于-1 dB的傳輸窗口，制備了樣品并進行了實驗驗證。實驗結果和仿真結果的一致性說明了所提出設計方法的正確性和有效性，同時也給設計同時具有降低RCS和傳輸特性的天線罩提供了可靠的解決方案。

1 單元結構設計

超表面的功能和結構示意圖如圖1(a)所示，其由上層部分的單層帶阻型金屬圖案和下層部分的多層帶通頻選以及中間的空氣傳輸線組成，因此基元可以由如圖1(b)所示的等效電路模型進行分析。由于理想的金屬圖案為無耗結構，因此其等效表面阻抗可以由純電抗jX進行表征。下層部分的帶通頻選在帶外起到提供反射面的作用。因此基元的等效電路模型可以簡化為上層圖案的等效表面電抗并聯一段短路傳輸線。

(a) 超表面功能和結構示意

因此可以得到端口1的輸入阻抗為：

Zin=jXtop∥jZ0tanβd,

(1)

式中，Xtop為上層圖案的等效表面電抗；Z0為空氣傳輸線的特性阻抗；β為傳輸線的傳播常數；d為傳輸線的長度。因此端口1的反射系數為：

(2)

對于由相同比例的2種基元組成的二元超表面來說，在正入射激勵下的后向散射場表示為[17]：

AF=0.5×(A0+A1ejΔφ),

(3)

Δφ=|φ1-φ0|,

(4)

式中，A0和A1為2種基元的歸一化激勵幅度值；φ0和φ1分別表示2種基元的反射相位，因此Δφ即2個基元之間的反射相位差。而對于一個平板目標而言，RCS縮減的性能相當于其參考相同尺寸金屬板的S11，可以表示為[17]：

RCSR=20lg|0.5×(A0+A1ejΔφ)|。

(5)

由式(5)可知，理想情況下，要實現干涉對消降低RCS，2個基元之間的反射相位差Δφ為180°，即兩基元端口反射系數Γ的相角差為180°，因此：

(6)

(7)

式中，Zin0和Zin1為二元干涉對消型超表面兩基元的輸入阻抗。如式(7)所示，可以得到上層2個圖案的等效表面電抗之間的理想關系。

基于這樣的分析，選擇如圖1(c)所示的耶路撒冷十字型作為上層的帶阻型金屬圖案，并根據表面電抗關系對幾何參數進行優化，在基元的周期p=16 mm，空氣厚度d=6.5 mm條件下，確定了兩單元的結構尺寸為：a0=2.42 mm,b0=10.32 mm,w0=1.2 mm,a1=9.34 mm,b1=10.84 mm,w1=0.42 mm。同時對2個單元表面等效阻抗進行了分析，如圖2(a)所示，在確定0單元的結構后，對不同的1單元表面阻抗下雙單元散射超表面的反射特性進行了計算，將實際使用的1單元的等效表面阻抗與其進行比較發現，在5.8～15.7 GHz范圍內都能落在-10 dB范圍內。

為了在低頻設計傳輸窗口，考慮到一般的單層諧振結構設計低頻透波會導致在高頻出現高次諧振，影響高頻的寬帶RCS縮減，因此考慮利用非諧振結構級聯設計帶通頻選。如圖1(d)所示，下層部分的帶通頻選分別由上下兩層的方形貼片和中間的柵格組成，3層金屬結構之間分別為一定厚度的F4B基板，其相對介電常數為2.65。利用仿真軟件對帶通頻選結構進行優化可以得到其幾何尺寸為：h=2.9 mm,l=7.8 mm,s=1.23 mm。如圖2(b)所示，帶通頻選結構在2.9～4.4 GHz有插損小于1 dB的傳輸特性。

(a) 0單元確定時不同1單元表面電抗下與其組成超表面的反射特性熱度圖以及上層圖案的表面等效電抗

2 超表面設計與仿真結果分析

將上層金屬圖案加載在介質襯底上，并與下層的帶通頻選進行組合得到0，1單元，圖3(a)和(b)所示為兩基元的反射和傳輸特性，其反射相位在寬帶范圍內滿足了180°±37°的相位差，同時在2.8～3.8 GHz都有傳輸性能，且傳輸相位相差較小。

(a) 2個基元的反射特性

為了滿足不同基元解耦所需的周期邊界條件[14]，首先將2個基元分別組成3×3的超胞，再利用算法按照1∶1的比例生成6×6隨機排列矩陣對超胞進行排列形成超表面[19]。多次隨機生成的超表面的仿真結果具有較好的一致性。其中一種排布如圖4(a)所示。仿真結果表明，超表面在2.86～3.82 GHz有大于-1 dB插損的傳輸窗口，在6.51～17.22 GHz有小于-10 dB的RCS縮減，如圖4(b)所示。

(a) 隨機生成的超胞排布矩陣

利用仿真軟件分析了偏振角與入射角對超表面性能的影響，結果如圖5所示。由于所設計的平面結構具有C4對稱性，因此所設計的超表面對偏振角φ不敏感[20]。在不同偏振角的電磁波激勵下，超表面的反射和傳輸性能基本保持不變。同時也進行了不同入射角橫電極化(TE)和橫磁極化(TM)電磁波激勵時的反射和傳輸特性的仿真。從仿真結果可以看出，超表面的-10 dB的RCS縮減帶寬隨入射角的增大有所劣化，但在30°以內仍有較好的性能；超表面的傳輸特性在不同極化電磁波的斜入射激勵下有較好的穩定性，超表面在入射角達到30°依舊能夠在低頻實現良好的寬帶傳輸。

(a) 不同偏振角φ激勵下超表面的反射特性

為了進一步說明超表面的散射性能，對平面波激勵下的超表面的散射場進行了仿真,如圖6所示。為在平面波正入射激勵下，在高頻范圍超表面的單站RCS實現了明顯的縮減。為了更好地證實所提出超表面降低RCS的機理，也進行了超表面平面波正入射激勵下的雙站RCS仿真。從仿真結果可以看出，超表面通過將電磁場散射到不同方向上，實現了后向的RCS縮減。

(a) 正入射激勵下超表面的單站RCS

3 實驗驗證與分析

根據優化得到的幾何尺寸和隨機生成的排布方式，制作了超表面樣品，其尺寸為288 mm×288 mm×12.55 mm，如圖7所示。屏風測試系統由Keysight N5244A矢量網絡分析儀、一個3 m×3 m的吸收屏風和一對寬帶喇叭組成。吸收屏風的寬度為最大工作波長的20倍，可以不考慮電磁波的衍射效應。測試樣品放置在如圖7(b)所示的屏風中心位置，利用自由空間法分別進行樣品的反射和透射性能的測試。在測試前分別進行反射和直通校準[21]。實驗測試得到超表面的反射特性如圖8(a)所示，可知超表面在7.2～16.3 GHz具有小于-10 dB的寬帶RCS縮減；同時超表面實現了在3.1～3.7 GHz具有插損小于1 dB的傳輸，如圖8(b)所示。與仿真結果相比，雖然超表面的性能有所劣化，但考慮到多層超表面制備工藝和層疊產生的誤差影響，可以認為實驗和仿真結果具有一致性。

(a) 測試系統示意

(a) 正入射下超表面反射特性的仿真實驗結果對比

4 結束語

本文提出了一種低頻高效傳輸、高頻寬帶RCS縮減集成的多功能編碼超表面。首先基于等效電路模型對干涉對消中基元的阻抗關系進行了分析，并基于理論采用電路相位調控的方法，基元上層利用耶路撒冷十字結構調控基元的反射相位，下層利用貼片和網格線的多層非諧振結構實現了低頻寬帶傳輸。基于設計的超表面組成了超表面并進行了全波仿真，仿真結果顯示了該散射-透波型超表面在6.51～17.22 GHz具有小于-10 dB的寬帶RCS縮減，并且在2.86～3.82 GHz有插損小于1 dB的傳輸窗口。制備了超表面樣品，并進行了實驗驗證，實驗與仿真結果具有一致性。這項工作為實現低RCS天線或隱身天線罩提供了一種新的解決方案，在隱身技術中具有重要意義。