X及Ku波段寬帶極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)及RCS縮減應(yīng)用

摘 要：針對(duì)反高分辨率雷達(dá)探測(cè)的電磁隱身問題，本文設(shè)計(jì)了一種作用于X和Ku波段的寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換超表面，能夠在6.5～8GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)85%以上的極化轉(zhuǎn)換效率，在8～20GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)90%以上的極化轉(zhuǎn)換效率，極化轉(zhuǎn)換效率在85%以上的相對(duì)帶寬達(dá)到了101%，且超表面剖面較低，整體厚度小于3.6mm，并將其自身和鏡像單元設(shè)計(jì)成了方形式和三角式棋盤陣列排布結(jié)構(gòu)。在x極化和y極化電磁波垂直入射下，與同等大小金屬相比，兩種棋盤式陣列排布結(jié)構(gòu)的雷達(dá)截面積（RCS）縮減效果明顯，且具有極化不敏感的特性，其中方形式棋盤結(jié)構(gòu)RCS縮減峰值達(dá)到了22.91dB，RCS減縮均值達(dá)到了11.73dB；三角式棋盤結(jié)構(gòu)RCS縮減峰值達(dá)到了36.07dB，RCS減縮均值達(dá)到了12.29dB，起到了大幅度降低單站RCS提升電磁隱身性能的作用。

關(guān)鍵詞：極化轉(zhuǎn)換超表面； 雷達(dá)截面積； 極化轉(zhuǎn)換效率； 人工磁導(dǎo)體； 棋盤式排布

中圖分類號(hào)：TN015 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.02.012

近年來，電磁超表面因其具備的獨(dú)特電磁特性及其人為可設(shè)計(jì)性成了研究的熱點(diǎn)方向。電磁超表面通常由特殊的金屬形狀排布成周期或非周期的形式構(gòu)成，多采用二維平面結(jié)構(gòu)形式，其具備自然材料不具備的諸多電磁特性，其單元結(jié)構(gòu)和單元間排布方式?jīng)Q定了其具有較大的設(shè)計(jì)空間，與電磁波作用后可發(fā)生諸多奇異的電磁現(xiàn)象。目前，針對(duì)超表面電磁調(diào)控的研究包含電磁波幅度的調(diào)控、電磁波相位/波前的調(diào)控和電磁波極化方式/方向的調(diào)控等。目前常見的電磁超表面包含頻率選擇表面、超材料吸波體、極化轉(zhuǎn)換表面和相位梯度表面等。各類超表面蘊(yùn)含的設(shè)計(jì)機(jī)理各不相同。由于電磁超表面具有較強(qiáng)的人工可設(shè)計(jì)性，其在電磁隱身領(lǐng)域也成了熱點(diǎn)研究方向，其核心問題在于研究目標(biāo)的雷達(dá)截面積（RCS）。RCS并不真實(shí)存在，它表征一個(gè)等效面積的概念，即當(dāng)目標(biāo)被電磁波照射時(shí)，目標(biāo)向單位立體角范圍內(nèi)散射的電磁功率與其所獲得的功率密度之比。RCS有單站和雙站之分，當(dāng)探測(cè)雷達(dá)的發(fā)射和接收天線處在同一位置時(shí)測(cè)得的RCS為單站RCS，當(dāng)探測(cè)雷達(dá)的發(fā)射和接收天線處在不同位置時(shí)測(cè)得的RCS為雙站RCS，RCS的高低直接決定了隱身性能的優(yōu)劣，進(jìn)而影響飛機(jī)的生存力。另外，在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，由于X和Ku波段具有較高的成像分辨率，同時(shí)能夠兼顧較大的探測(cè)距離、低衰減等因素，因此經(jīng)常作為重要的雷達(dá)探測(cè)頻點(diǎn)，所以從反偵察、反鎖定的角度而言，X和Ku波段的隱身就成了重中之重。因此，電磁超表面由于其具備的電磁場(chǎng)調(diào)控能力在RCS減縮領(lǐng)域逐步嶄露頭角。

早期基于相位相消原理的人工磁導(dǎo)體（AMC）棋盤結(jié)構(gòu)引起了學(xué)者們的極大關(guān)注，其能夠通過AMC和完美電導(dǎo)體（PEC）的結(jié)合，在反射波之間產(chǎn)生180°相位差，排列成棋盤式結(jié)構(gòu)時(shí)，反射波電場(chǎng)分量相消干涉，從而降低后向散射RCS[1-5]。后來研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于PEC材料，其反射相位能夠保持在穩(wěn)定的數(shù)值，但AMC單元的反射相位隨頻率變化較大，通常僅在很窄的頻帶內(nèi)可以保持接近180°的相位差，這就限制了AMC棋盤結(jié)構(gòu)在RCS減縮方面的應(yīng)用，后來學(xué)者利用兩種類型組合的AMC來替換 AMC與PEC的組合結(jié)構(gòu)，兩種AMC的相頻特性均隨著頻率變化，且通過人工設(shè)計(jì)可以使二者在一定寬帶條件下的變化趨勢(shì)接近，相位差保持在180°左右，再將兩種AMC排列成棋盤式結(jié)構(gòu)，能夠在一定帶寬條件下使反射波發(fā)生相位相消，拓展RCS減縮的帶寬。其缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)RCS的減縮需要設(shè)計(jì)兩種類型的超表面單元，“相位差數(shù)值穩(wěn)定”“相頻特性變化趨勢(shì)一致”等設(shè)計(jì)目標(biāo)難度較高，工作量大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。

近年來，極化轉(zhuǎn)換超表面（PCM）進(jìn)入了諸多學(xué)者的視野，它是一種改變電磁波極化方式、極化方向的超表面，主要包含“線—線”極化轉(zhuǎn)換、“線—圓”極化轉(zhuǎn)換及圓極化波“旋向”轉(zhuǎn)換等方面。依據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式，PCM超表面包含透射型和反射型，透射型一般相對(duì)帶寬較窄，反射型作用頻帶較寬。在隱身領(lǐng)域的應(yīng)用方面，極化轉(zhuǎn)換超表面與人工磁導(dǎo)體（AMC）一直是重點(diǎn)研究的對(duì)象，與AMC不同，極化轉(zhuǎn)換超表面僅需一種單元即可實(shí)現(xiàn)180°相位差，其單元自身與鏡像單元天然形成180°相位差，且反射型極化轉(zhuǎn)換超表面能夠保證較寬的工作頻帶，因此就保證了寬帶的近180°相位差，解決了AMC超表面的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)。因此，將PMC與其鏡像單元進(jìn)行棋盤式排布，能夠獲得寬帶的RCS減縮效果。基于極化轉(zhuǎn)換超表面的科研成果層出不窮。2015年，東南大學(xué)Gao Xi等[6]提出了一種雙V結(jié)構(gòu)形式的“線—線”極化轉(zhuǎn)換超表面，在12～27GHz頻率范圍內(nèi)取得了90%的極化轉(zhuǎn)換效率，且結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)；2016年，西安電子科技大學(xué)Liu Ying等[7]提出一種類“魚骨”式的極化轉(zhuǎn)換超表面，并在天線的RCS減縮方面進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的效果；2021年，潘晨清等[8]提出了一種開孔式方型貼片極化轉(zhuǎn)換超表面，其極化轉(zhuǎn)換的-5dB帶寬為7.6～ 21.4GHz；重慶郵電大學(xué)汪竹等[9]提出了一種H開口環(huán)疊加橢圓金屬片式極化轉(zhuǎn)換超表面，在10～22GHz頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了95%的極化轉(zhuǎn)換效率；國外學(xué)者M(jìn). S. Ibrahim[10]提出了一種“多線條”形式的極化轉(zhuǎn)換超表面，在15～52GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了接近100%的極化轉(zhuǎn)換效率。

本文依據(jù)極化轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)了一種寬帶高效的極化轉(zhuǎn)換超表面單元，聚焦于雷達(dá)探測(cè)的關(guān)鍵頻段（X和Ku波段），并通過棋盤式陣列排布設(shè)計(jì)將單元組成陣列應(yīng)用于雷達(dá)隱身領(lǐng)域，達(dá)到降低單站RCS的目的。

1 極化轉(zhuǎn)換超表面設(shè)計(jì)

1.1 極化轉(zhuǎn)換超表面單元設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換超表面單元采用三層結(jié)構(gòu)形式，由上層金屬貼片、介質(zhì)基板以及金屬反射板組成。上層金屬貼片包含外層開口圓環(huán)、內(nèi)層圓環(huán)及中間連接線框，其材質(zhì)為銅，為了保證其對(duì)x極化和y極化波具有相同的反射特性，單元分布沿45°方向鏡像對(duì)稱，厚度為0.017mm，單元的長和寬均為7.4mm，外層開口圓環(huán)的外徑為3.2mm、寬度為 0.25mm，圓環(huán)開口張角為29.25°，內(nèi)層圓環(huán)外徑為1.35mm、寬度為0.26mm，連接內(nèi)外圓環(huán)的金屬線條寬度為0.25mm；中間材料為介質(zhì)基板，采用Rogers RT/duroid 5880（tm），其介電常數(shù)實(shí)部2.2，損耗角正切為0.0009，板材厚度為3.52mm；最底層為金屬反射板，實(shí)現(xiàn)電磁波的全反射，材質(zhì)為銅，厚度為0.017mm。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

對(duì)設(shè)計(jì)的超表面單元進(jìn)行仿真計(jì)算，得到其線極化波入射下的共極化反射系數(shù)和交叉極化反射系數(shù)如圖2所示。由圖2可以看出，該單元在8～20GHz范圍內(nèi)共極化反射系數(shù)低于-10dB，在6.5～8GHz范圍內(nèi)共極化反射系數(shù)低于-8.5dB，有較好的極化轉(zhuǎn)換效果，該超表面在6.6GHz、9.1GHz、14.3GHz和19.2GHz附近實(shí)現(xiàn)了諧振，諧振點(diǎn)處共極化分量幾乎被全部偏轉(zhuǎn)至交叉極化方向，此時(shí)共極化分量最小，交叉極化分量最大，實(shí)現(xiàn)了理想的極化轉(zhuǎn)換。

1.2 極化轉(zhuǎn)換超表面原理分析

單元設(shè)計(jì)采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，即單元沿著y=x直線（與x軸成45°夾角）成鏡像對(duì)稱方式，這里定義uv坐標(biāo)系，u軸與v軸分別與x軸、y軸成45°夾角，這里對(duì)u極化和v極化電磁波入射下單元的反射幅度和相位進(jìn)行了仿真，從中可以發(fā)現(xiàn)，在6.5～20GHz的工作頻帶內(nèi)，在入射波分別為u極化和v極化的情況下，二者反射系數(shù)幅度幾乎相等，頻帶內(nèi)大部分范圍近于0，最小值也大于-0.1dB；二者頻帶內(nèi)的反射相位具有較好的線性度，相位隨頻率變化的趨勢(shì)高度一致，且二者反射相位差保持在180°左右，這樣能夠確保該極化轉(zhuǎn)換超表面在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的極化轉(zhuǎn)換效率，如圖4、圖5所示。

那么當(dāng)電磁波為x或y極化入射時(shí)，入射場(chǎng)可以分解為沿u、v方向幅度和相位相同的兩個(gè)分量，經(jīng)超表面反射后，原本同相位的兩個(gè)分量變?yōu)橄辔徊?80°左右，并且反射幅度保持一致，此時(shí)沿xy坐標(biāo)系疊加反射場(chǎng)矢量，可以發(fā)現(xiàn)同極化反射波分量發(fā)生相位相消最終被削弱，而交叉極化反射波分量產(chǎn)生同相疊加最終獲得了增強(qiáng)，最終疊加形成的反射波由交叉極化分量主導(dǎo)，即由原本的x（y）極化變成了y（x）極化，從而實(shí)現(xiàn)了高效率的極化轉(zhuǎn)換，原理示意如圖6所示。圖6中以入射波x極化為例，首先將入射波電場(chǎng)矢量Ei沿u、v方向分解為Eiu和Eiv分量，入射到超表面經(jīng)反射后，這里假設(shè)u方向反射相位與入射相位反向，如圖6中Eru線條所示，由于u方向和v方向的反射相位差180°，因此v方向反射相位與入射相位相同，如圖6中Erv線條所示，Eru和Erv電場(chǎng)疊加后最終形成的反射電場(chǎng)Er沿y方向振蕩，因此發(fā)生了交叉極化。

需要特殊說明的是，當(dāng)電場(chǎng)分量不在xy軸系上時(shí)，可以按照?qǐng)D6的方式依據(jù)矢量圖解法推理，超表面單元的Er極化方向會(huì)與xy坐標(biāo)軸成一定夾角，且Er與Ei會(huì)沿45°或-45°直線成軸對(duì)稱，同樣發(fā)生了極化方向的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于交叉極化分量，采用相位相消的方式相互抵消其電場(chǎng)分量，大體上采用0、π交替分布式的排列結(jié)構(gòu)，相鄰單元相位差均保持在180°左右，其中0相位單元由PCM單元自身實(shí)現(xiàn)，π相位單元由PCM單元的鏡像單元實(shí)現(xiàn)，那么對(duì)于入射的線極化波，經(jīng)過PCM超表面及其鏡像單元反射后，作用頻帶內(nèi)大部分電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為交叉極化分量，二者的交叉極化分量反相，互相抵消，進(jìn)而RCS獲得了顯著降低。

對(duì)于電場(chǎng)極化方向與xy坐標(biāo)系成一定夾角的情況，依據(jù)矢量圖解法可以推斷，PCM單元自身和其鏡像單元的Er矢量依舊保持共線的關(guān)系，即沿著與xy坐標(biāo)系成一定夾角的直線，且相位差保持在180°，棋盤式排布同樣可以相位相消降低電場(chǎng)幅度，從而減縮陣列的RCS。

2.1 方形棋盤式排布

方形棋盤式排布是指采用類似平面陣列差波束的形式，將平面區(qū)域沿著正交的坐標(biāo)軸分割成正方形子陣，再將超表面和其鏡像單元交叉排布，頂點(diǎn)相對(duì)的區(qū)域采用相同的單元，陣面上單元沿著經(jīng)過陣列中心的兩條對(duì)角線成軸對(duì)稱形式。這里選取16×16的平面陣列，具體如圖7所示。整體陣面尺寸為118.4mm×118.4mm。

2.2 三角棋盤式排布

三角棋盤式排布是指采用與坐標(biāo)軸成±45°的兩條對(duì)角線，將平面區(qū)域分為4個(gè)子陣，每個(gè)子陣的輪廓均為三角形，將超表面和其鏡像單元沿子陣分界線交替排布，頂點(diǎn)相對(duì)的區(qū)域采用相同的單元，邊線相鄰的區(qū)域采用不同的單元。這里選取16×16的平面陣列，具體如圖8所示。整體陣面尺寸為118.4mm×118.4mm。

3 性能驗(yàn)證與對(duì)比

對(duì)設(shè)計(jì)的方形棋盤式和三角棋盤式超表面陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行RCS仿真計(jì)算，同時(shí)以同尺寸金屬平板作為對(duì)比對(duì)象，觀察RCS減縮效果。仿真入射平面波頻率范圍為6.5～ 20GHz，入射角為0°（垂直超表面法向），極化狀態(tài)包含x極化與y極化。圖9和圖10分別列出了x極化與y極化下金屬平板、方形棋盤式和三角棋盤式排布的單站RCS曲線，可以看到，設(shè)計(jì)的兩種棋盤結(jié)構(gòu)在x極化和y極化電磁波入射下各頻點(diǎn)RCS數(shù)值非常接近，具有極化不敏感的特性，兩種棋盤結(jié)構(gòu)相較于金屬平板在頻帶內(nèi)均獲得了較大的RCS縮減。

圖11所示為RCS縮減值曲線對(duì)比。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，三角棋盤式的RCS縮減效果整體優(yōu)于方形棋盤式，三角棋盤式在9.25GHz實(shí)現(xiàn)了最大36dB的RCS縮減，在6.5～ 20GHz范圍內(nèi)RCS減縮均值達(dá)到了12.2dB以上；方形棋盤式在15.55GHz實(shí)現(xiàn)了最大22dB的RCS縮減，在6.5～ 20GHz范圍內(nèi)RCS減縮均值達(dá)到了11.7dB以上。兩種棋盤式結(jié)構(gòu)在寬帶內(nèi)的RCS縮減值統(tǒng)計(jì)見表1。

4 結(jié)論

本文提出的極化轉(zhuǎn)換超表面在X和Ku波段均實(shí)現(xiàn)了較高的極化轉(zhuǎn)換效率，在8～20GHz頻率范圍內(nèi)具有90%以上的極化轉(zhuǎn)換效率，在6.5～8GHz頻率范圍內(nèi)具有85%的極化轉(zhuǎn)換效率，PCR大于90%的相對(duì)帶寬為85%，PCR大于85%的相對(duì)帶寬為101%，并利用單元自身和其鏡像單元組成方形式、三角式棋盤陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在6.5～20GHz頻率范圍內(nèi)寬帶RCS縮減，縮減均值達(dá)到了11dB以上，單元自身和設(shè)計(jì)的棋盤式陣列均具有極化不敏感的特性，能夠應(yīng)用于多極化狀態(tài)的寬帶RCS縮減場(chǎng)景。

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Design of Broadband Polarization Conversion Metasurface for X and Ku Bands and RCS Reduction Applications

Zhao Yitong， Wang Ganglin， Tang Xingzhong， Li Yan Chinese Aeronautical Establishment， Beijing 100029，China

Abstract： For anti-detection of high-resolution radar and electromagnetic stealth issues， a broadband reflective polarization conversion metasurface is designed for X and Ku bands， which can achieve more than 85% polarization conversion efficiency in the range of 6.5～8GHz and more than 90% polarization conversion efficiency in the range of 8～20GHz， and the relative bandwidth of polarization conversion efficiency above 85% is 101%， and the thickness of metasurface structure is less than 3.6mm. Square and triangle chessboard structures are designed based on this metasurface，the radar scattering cross section of both chessboard structures has been greatly reduced under vertical incidence of x-polarized and y-polarized electromagnetic waves compared with the same size metal. Both have polarization insensitive characteristics， in which the maximum RCS reduction of square chessboard structure reaches 22.91dB， and the average RCS reduction of square chessboard structure reaches 11.73dB. The maximum RCS reduction of triangle chessboard structure reaches 36.07dB， and the average RCS reduction of triangle chessboard structure reaches 12.29dB， playing a significant role in reducing the single station RCS and improving electromagnetic stealth performance.

Key Words： polarization conversion metasurface； RCS； polarization conversion ratio； artificial magnetic conductor； chessboard structures