一種帶有透波窗口的寬帶RCS縮減超表面設計

富新民， 韓亞娟*， 王甲富， 趙 然， 賈宇翔， 龐永強， 屈紹波， 徐 卓

(1. 空軍工程大學基礎部， 西安，710051； 2.93128部隊， 北京， 100843； 3.西安交通大學電信工程學院， 西安， 710049)

隨著現代戰爭和技術的發展，隱身技術成為了武器裝備發展的必然趨勢，特別是航空裝備。所謂“隱身技術”，也被稱為“目標特征信號控制”或“低可探測技術”，其根本目的就在于降低自身被探測的概率、縮短被探測的距離，提高生存能力，提升作戰效能[1]。傳統上，縮減雷達散射截面(RCS)的方法有兩種[2-3]：其一是外形隱身技術，通過外形設計調控散射波的方向，使其遠離雷達的接收方向，外形隱身技術一直以來都是隱身技術的首選途徑[4]。其二是材料隱身技術，通過加載吸波材料，將電磁波轉化為熱能，降低RCS[5]。大量的吸收材料包括復合材料[6]，加載集總元件[7]，和吸波超材料[8]等，已經被設計、制作和測試，實現了多頻帶、寬頻帶的電磁吸收。通過上述方法，已經可以有效降低自身RCS。隨著超表面(被視為“二維”超材料)的深入研究，其在隱身、天線中的應用不斷深化，提升天線的性能，包括低散射、高增益等[9-10]。散射相消是降低目標RCS的另一種有效方法，利用超表面實現對消近年來受到人們的重視。為了減小目標后向RCS，文獻[11]提出了由理想導電體(PEC)和人工磁導體(AMC)(兩者反射相位存在π的相差)組成的棋盤超表面。然而，這種超表面通常表現出窄帶性能。為了擴大RCS縮減的帶寬，采用2個或2個以上的諧振元件構建了超表面[12-13]。此外，還報道了吸收和散射相消相結合的機理，以實現寬帶RCS的降低[14]。

在綜合外形設計和涂覆隱身材料之后，飛行器等平臺具有很好的隱身性能，但是各類通信、探測系統的電磁孔徑已然成為隱身平臺的主要電磁散射貢獻者之一。特別地，由于增益高、方向性強、易于波束調控與賦形，大口徑陣列天線已經逐步應用，一方面提升飛行器作戰效能，但是另一方面也使其成為了更強的散射源。若對這些天線孔徑不采取有效的隱身手段，將會嚴重影響飛行器的整體隱身性能。如何能夠在保證天線輻射性能的同時，提升天線的隱身性能成為了研究的重點和難點[15-16]。

針對天線罩期望能在寬帶低RCS特性的基礎上，引入透波窗口，同時滿足天線的隱射性能和輻射性能的現實需求，文獻[17]提出了吸收-散射頻率選擇天線罩設計。通過復合集總元件和帶通型頻率選擇表面實現了“吸收—透射—散射”；文獻[18]提出了由多層金屬結構組成的各向異性的單元結構，實現了“散射—透射—散射”的電磁功能超表面。本文提出了極化旋轉超表面復合帶通頻率選擇表面的新型超表面設計。通過調節極化旋轉介質響應厚度，實現兼具同極化透波“窗口”和雙帶交叉極化反射的超表面設計。然后利用幾何相位僅對交叉極化波有響應的特點，實現透波“窗口”外的低散射特性。

1 設計原理

相位調節方式包括傳輸相位、諧振相位等。2014年，研究人員開發了幾何相位概念，研究了極化旋轉單元與旋轉角度的關系。當元原子繞其中心旋轉θ時，相位差為2θ。為了進一步分析幾何相位，采用偶極子模型進行分析。通常入射到偶極上的電磁波束會引起電偶極子動量，電偶極子動量可以表示為[19-20]:

(1)

式中：Px、Py為電偶極子動量；αe為電極化率。若電磁波為圓極化，則沿x方向和y方向的電場分別有分量Ex和Ey。根據電磁場理論，PL(R)和Px、Py有如下關系：

PL(R)=Px±jPx

(2)

EL(R)與Ex和Ey的關系式為：

EL(R)=Ex±jEy

(3)

式中：L(+)和R(-)分別代表左、右旋極化。根據式(1)和式(2)，可以得到：

(4)

由式(4)可知，當電磁波入射時，反射(透射)波會包含2個分量，即同極化波和交叉極化波。只有在交叉極化波下，當單元繞中心旋轉時，才會發生相移。此外，旋轉角度可以從0調整到π，從而產生覆蓋2π的相移；而對于同極化反射/透射波，則旋轉單元不會產生相移。利用這一性質，可以通過設計極化旋轉單元的極化特性，在低頻和高頻表現為反射型極化旋轉表面，而在中間頻帶，則表現為透波表面。然后分別獨立調控同極化和交叉極化波的相位分布，得到帶有同極化透波窗口的低RCS超表面。

2 超表面設計與仿真

2.1 單元設計

極化旋轉超表面的研究已經日趨成熟，在研究中不難發現，極化旋轉效率和頻帶帶寬與結構單元的響應厚度息息相關，也就是說，盡管采用同一結構單元，但是不同的響應厚度，會使得極化旋轉效率和頻帶千差萬別。如圖1所示，采用“雙箭頭”結構作為基礎單元[21]，金屬結構刻蝕在0.1 mm的FR4介質(εr=4.3，tanδ=0.025)，金屬線寬0.1 mm。下層結構為硬質泡沫(εr=1.1 mm)厚度記為df，其他參數：p=10 mm，l=4.3 mm，c=1.3 mm。通過改變h1，仿真不同厚度對于極化旋轉性能的影響，其同極化反射率結果如圖2所示，可以看出，當h1=5 mm時，在12～18 GHz能夠實現高效的極化旋轉。隨著h1的增加，極化旋轉頻帶向低頻移動。當h1=10 mm時，高效的極化旋轉發生在4.5～8.8 GHz。上述結果說明：通過調節極化旋轉單元的響應厚度，能夠調節極化旋轉效率和頻帶。

圖1 單元結構示意圖

圖2 不同厚度下的同極化反射率對比

結合上述介質響應厚度對極化旋轉性能的影響，文中提出引入帶通型頻率選擇表面替換傳統的金屬反射背板，期望通過頻率選擇表面的帶通特性，實現對極化旋轉超表面響應厚度的調節，進而實現兼具透波窗口和交叉極化反射性能的超表面，具體架構如圖3所示。上層為“雙箭頭”極化旋轉超表面，下層為帶通型頻率選擇表面，中間層為硬質泡沫。其中頻率選擇表面結構由網格和十字型金屬結構組成，并刻蝕在厚度為h2的F4B介質(εr=2.65，tanδ=0.001)基板上。

圖3 結構示意圖

2.2 單元反射透射性能仿真

為了得到理想的反射/透射性能，利用CST電磁仿真軟件的優化算法對單元結構的幾何參數進行優化設計，由于優化算法并不是本文工作的研究重點，在這里不再贅述。經過優化，得到結構幾何參數結果如下：p=10 mm、l=4.3 mm、c=1.3 mm、w1=1 mm、f=7.3 mm、w2=0.4 mm。作為本設計最重要的參數，以x極化波作為入射波，仿真不同h1和h2下的同極化反射rxx/透射txx和交叉極化反射ryx/透射tyx。仿真結果如圖4～5所示。可以看出，單元的反射透射性能受h1影響較大，這與理論分析相符合，極化旋轉單元的性能受到響應厚度的影響。而h2則對單元的反射透射性能影響很小，這主要是因為h2為下層頻率選擇表面的介質厚度，對其透波性能并不產生影響。根據仿真結果，最終選擇h1=6 mm，h2=1.5 mm。單元最終性能為在5.0～7.0 GHz和12.5～17.5 GHz頻帶內可實現高效的交叉極化反射。同時，在10.0～11.0 GHz頻帶內實現了高效的同極化透射，插損低于1 dB，達到0.8 dB，達到設計目的。

圖4 不同h1下的反射/透射對比

圖5 不同h2下的反射/透射對比

根據幾何相位特性，通過旋轉單元特性，可以調控交叉極化波相位而不影響同極化波。由于交叉極化透射波和同極化反射波在寬帶范圍內幅值均低于-10 dB，因此，只給出旋轉前后交叉極化反射波和同極化透射波的幅值和相位差，如圖6所示。可以看出，旋轉前后的交叉極化反射波的相位差為180°，而幅值不變；同極化透射波的幅值相位均不變化。黃色區域為極化旋轉頻帶，藍灰色區域則是同極化透波窗口。

圖6 極化旋轉單元旋轉前后的幅值相位對比

2.3 棋盤超表面設計

棋盤結構縮減RCS是基于干涉相消原理實現的。通過設計棋盤表面單元的反射相位，調控反射波偏離原來的入射方向，縮減后向RCS。最初棋盤結構實現縮減RCS是利用完美電導體(perfect electronic conductivity，PEC)和人工磁導體(artificial magnetic conductor，AMC)[9]，當電磁波入射到PEC單元表面時，反射波相對入射波有180°的相位差；而入射到AMC單元時，反射波相對入射波則無相位差，即2種單元的反射波存在著180°的相位差，將兩種單元排布成棋盤結構，棋盤結構中的每一 “格”包含若干個PEC或者AMC單元，利用單元間的π的相位差，調控反射波遠離入射方向，實現后向RCS縮減。

將構成棋盤結構的相位響應不同的區域分別定義為“0”和“1”，當波長為λ的電磁波垂直入射到棋盤超表面時，其RCS可以表示為[22-23]：

(5)

式中：S0和S1分別為“0”和“1”區域的面積大小；A0和A1分別為不同區域的反射幅值；Δφ=φ0-φ1，是“0”和“1”區域的反射相位差。通過與等大的金屬板的RCS相比，可以得到棋盤超表面的RCS縮減值為[22-23]：

R-RCS=10 log|(1-f)A1+fA0ejΔφ|

(6)

式中：f=S0/(S0+S1)是“0”區域的占比。根據式(6)，可以看出通過調節f、“0”和“1”區域的反射幅值和反射相位差，就能實現相應的RCS縮減，特別地，當Δφ=180°、fA0=(1-f)A1時，RCS縮減達到最大。相位差與RCS縮減值之間的關系為[23]：

(7)

根據以上棋盤結構設計分析原理，利用2.1節中的超表面單元結構，通過旋轉上層極化旋轉表面得到幾何相位對單元進行排布，可得到棋盤超表面。利用電磁仿真軟件仿真在平面波入射下的遠場散射性能。為了方便說明，選取5.5 GHz和15.0 GHz 2個頻點代表2個極化旋轉頻帶(5.0～7.0 GHz和12.5～17.5 GHz頻帶內)作進一步說明，結果如圖7所示。可以看出，當平面波入射后，超表面將平面波散射為4個波束，且均偏離法向方向，使得法向回波能量得到降低，進而實現RCS縮減。

圖7 遠場散射性能

3 結果與討論

根據前文的棋盤結構的設計原理，以2.3節設計的棋盤式超表面為模型加工樣品。樣品為3層結構通過粘接組成，上層為極化旋轉結構層，第2層為硬質泡沫，第3層為頻率選擇表面層，整體尺寸為300 mm×300 mm。在暗室內，對樣品的散射性能進行測試。最后利用標準增益喇叭在加載設計的天線罩的前后性能對比，進一步評估其透射性能以及在天線中的應用前景。

3.1 散射性能測試

在微波暗室中對棋盤超表面的法向反射、透射性能進行測試。當反射率和透射率均較低時，才能準確地說明法向的散射得到有效抑制。圖8為暗室測試反射、透射的實驗狀態和測試結果。

圖8 實驗狀態圖

當接收發射喇叭天線在樣品一側時，測試樣品的鏡面反射率S11，當接收發射喇叭天線在樣品兩側時，測試樣品的透射率S21。從圖8(c)的測試結果可以看出，在10.5 GHz處具有高效的透射，而在兩側頻段，反射率和透射率均較低(接近-10 dB)，這是因為在5.0～7.0 GHz和12.5～17.5 GHz頻帶內，超表面將電磁波散射到其他方向，法向的反射和透射幅值降低。證明了在兩側頻段的法向RCS得到降低，達到了預期目的。

3.2 透射性能測試

為了進一步驗證設計的超表面的透射性能以及在天線罩中的應用潛能，在微波暗室中，利用標準增益喇叭天線測試加載超表面前后的輻射方向圖變化對比，具體狀態如圖9所示，其中超表面被放置在發射天線前20 cm的位置上。圖10為10 GHz、10.5 GHz和11 GHz的輻射方向圖測試對比，可以看出：基本保證方向圖的一致性，其中10.5 GHz增益損失0.9 dB，10 GHz和11 GHz損失接近1.3 dB。這主要是超表面的固有插損以及交叉極化透射波散射造成的。此外值得注意的是，由于超表面單元旋轉前后對于同極化透射波無相位響應，因此棋盤排布基本不影響輻射性能。

圖9 透射性能測試

圖10 加載超表面前后輻射方向圖對比

4 結語

本文提出了一種帶有透波窗口的雙帶RCS縮減超表面。為了實現這一目標，首先分析了幾何相位的特性以及介質響應厚度對于極化旋轉特性的影響。然后基于分析結果，提出了極化旋轉結構復合頻率選擇表面的復合設計架構，通過帶通型頻率選擇表面的通-阻特性調節極化旋轉單元的響應厚度，分別在低頻和高頻實現了交叉極化反射，特別地，在中間頻帶引入透波特性，并對超表面的鏡面反射率和傳輸性能進行了測試。仿真和實測結果表明，所設計的超表面均表現出帶通特性，同時可在傳輸窗口外實現寬帶低散射特性，并利用標準喇叭天線，對比加載設計的超表面結構前后遠場輻射性能，進一步研究了其傳輸特性。但是在仿真實驗中同樣發現設計的多層結構造成帶內插損較大，達到1.3 dB，對輻射性能有一定影響，在今后的設計中可以采用低介電常數介質，降低結構金屬占比以降低諧振等的方式來降低插損。本文的研究結果提出了一種散射—透波—散射超表面設計方法與架構，在隱身天線罩中具有潛在的應用價值。后期針對不同頻帶的相位、幅值獨立調控開展研究，進一步提升其實用價值。