电磁超表面在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用研究进展

闫 昕，梁兰菊*，张雅婷，丁 欣，姚建铨*

1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072 2. 枣庄学院光电工程学院, 山东 枣庄 277160

电磁超表面在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用研究进展

闫 昕1, 2，梁兰菊1, 2*，张雅婷1，丁 欣1，姚建铨1*

1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072 2. 枣庄学院光电工程学院, 山东 枣庄 277160

电磁超表面由于其独特的电磁特性为调控电磁波提供了有力工具，合适地设计成编码、随机、相位不连续、完美吸收器等超表面，就能够控制电磁波的散射以及反射特性，实现雷达散射截面的缩减。本文综述了不同的电磁超表面利用漫反射或者吸收等特性实现在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用。分析表明，编码超表面由不同的数字单元组成，其反射相位差在很宽的频段范围内满足恒定的关系，设计特殊的单元序列使入射的电磁波产生非定向散射，更高bit编码超表面更容易灵活调控电磁波； 随机超表面通过调节阵元的尺寸实现宽带移相从而将金属目标特征性强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波，产生漫反射； 不连续超表面由于相位不连续可使电磁波发生漫反射或者异常反射； 吸收器通过合理设计结构尺寸实现吸收电磁波能量来减小反射。因此电磁超表面在雷达隐身、宽带通讯、成像等方面具有重要的应用前景。最后对电磁超表面在雷达散射截面缩减中应用的发展趋势进行了初步探讨，未来将向着宽带、柔性、大角度等方面发展。

电磁超表面； 雷达散射截面； 编码； 随机； 相位不连续； 吸收器

引 言

在电磁波操控器件中，电磁超表面是很有潜力的候选之一[1-3]。调控电磁波散射、反射特性在成像、滤波等方面具有非常重要的意义，特别是在军事方面[4-6]。电磁超表面在军事领域的重要性体现在降低雷达散射截面，达到电磁隐身目的[7-8]。随着现代科技和武器装备的高速发展，传统的吸波材料已经很难满足国防技术发展的需求。近年来，电磁超表面由于其独特的电磁响应特性得到了世界各国研究者的广泛关注，利用该表面实现雷达散射截面缩减取得了长足的发展[9-14]。

基于编码、随机、相位不连续、完美吸收器等不同的电磁超表面在微波和太赫兹波段的研究最新进展，分类介绍了这些超表面利用非定向散射或者完美吸收特性实现雷达散射截面的减小。研究表明，不同的电磁超表面都能调控电磁波的散射或者反射特性，实现漫反射或者异常反射。最后对电磁超表面在雷达散射截面缩减的发展趋势进行了初步探讨。

1 雷达散射截面(Radar cross section)

表示目标特征信号的物理量主要有雷达散射截面、红外辐射强度、光学可见度等。对于雷达散射截面(radar cross section，为RCS)[8]，它是表征目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。RCS的定义为

(1)

该式中，Ei是照射到目标上的入射波电场强度，Es是雷达目标散射波电场强度，R为雷达到目标散射体的距离。在实际应用中，雷达散射截面通常以对数形式dBsm表示，即

(2)

目标的雷达散射截面(RCS)越小，表示雷达接收的回波能量越小，从而达到隐身目的。

目前为止，利用电磁超表面实现RCS缩减主要由以下实现途径： (1)基于光学变换理论，实现对电磁波传输的控制； (2)实现对入射电磁波的完美吸收; (3)实现电磁波的非定向性散射特性。本论文主要介绍后两种途径实现RCS缩减的最新进展。

2 非定向散射特性实现RCS的缩减

2.1 编码电磁超表面

编码电磁超表面，主要分为1，2，3bit等编码组成。不同的编码由不同的数字单元组成，它们之间的反射相位差在很宽的频段范围内满足恒定的关系。1bit编码超表面，为相位差为180°的“0”和“1”数字单元组成。 2bit编码超表面，为“00”, “01”, “10”与“11”数字单元组成，其相邻的单元相位差为90°。这种关系依次类推到更高bit编码超表面。该超表面实现RCS的缩减主要由不同数字单元的序列实现。该表面是把入射的电磁波散射到各个方向，产生无数散射波，根据能量守恒原理，每束散射波的能量很小，从而减小了RCS。

图1 (a) 1 bit电磁超表面的“0”和“1”单元反射相位差(b)编码电磁超表面示意图(c)数值模拟的RCS三维远场散射图(d)宽带频段范围内RCS缩减量的数值模拟和实验结果

Fig.1 (a) reflection phase different of “0” and “1” element for the 1-bit coding metasurface, (b) coding metasurface (c) Simulation results of RCS three-dimensional scattering patterns (d) simulation and measurement results of RCS reductions over a wide frequency range

2014年，崔铁军等[15]利用1和2 bit编码超表面的非定向散射特性实现了宽带RCS的缩减，如图1所示。对于1 bit电磁超表面，覆盖了编码超表面的后向RCS为水花状的形状，在7.5～13 GHz 之间，RCS的缩减量超过10 dBsm。对于2 bit编码超表面，可实现频带更宽的RCS缩减。为了更灵活调控电磁波，可设计3 bit，4 bit等以及更高bit编码超表面。

2.2 随机电磁超表面

随机电磁超表面利用反射阵天线理论，通过调整各阵元的反射相位在很宽的频带范围内相位差为360°，从而将金属目标特征性强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波，实现宽带RCS的缩减。2014年，崔铁军课题组[16]利用不同长度的风车型单元结构构造人工电磁随机超表面，如图2所示。该结构相位在6～14 GHz频带内是线性变化并且基本平行，且变化范围为360°左右，该随机超表面实现宽带RCS的缩减。

2.3 相位梯度超表面

相位梯度超表面是一种亚波长结构，在表面处的相位发生突变，可将入射的电磁波反射方向发生偏折或者耦合为表面波，实现在宽频段内异常反射从而实现RCS的减小。2014年，李勇峰等[17]设计了一种二维极化无关相位梯度超表面。从图3看出，超表面相邻的单元相位差具有相位梯度，远场散射强度最强的地方并不是出现在0度方向，在其他方向出现了较强的散射。该表面使入射的电磁波发生了异常反射和漫反射，在8～14 GHz 之间，RCS的缩减量超过10 dBsm。

图2 (a)风车型单元结构示意图(b)不同长度(L)的相位随频率的变化曲线(c)电磁超表面结构排列示意图(d)RCS缩减量的数值模拟与频率的关系

Fig.2 (a) diagram of the unit cell of windmill-shaped structure (b) reflection phase from 6 GHz to 14 GHz with the change of L (c) layout of the designed metasurface (d) simulation results of RCS reductions over a wide frequency range

图3 (a)相位梯度超表面的示意图(b)超表面相位梯度(c)正入射情况下的远场散射强度(d)正入射情况下, 测量相位梯度超表面和金属板RCS与频率的关系

Fig.3 (a) diagram of phase gradient metasurface (b) phase gradient of metasurface (c) far-feld scattering intensity distribution under normal incidence (d) measured RCS versus frequency for the phase gradient metasurface and metal plate under normal incidence

3 利用完美吸收器实现RCS的减小

吸波器是通过完美吸收电磁波来减小反射波，从而实现RCS的缩减[18]。达到完美吸收时，电磁波能量通过一种欧姆损耗被吸收掉，这种损耗实际上就是电磁波能转变为热能。本部分主要总结利用完美吸收器实现RCS的缩减。

3.1 微波波段

2013年，Huanhuan Yang等研究了应用在RCS缩减的一种完美吸收器[19]，如图4所示。该结构主要有三层相同的金属正方环组成。从图中看出，在入射角度超过50°的时候，吸收率仍接近1。在频段4.77～5.06 GHz 范围内，RCS的缩减量超过10 dB。

3.2 太赫兹波段

关于THz超表面在RCS缩减中应用的研究，有关这方面的工作国内外目前研究的很少。2011年Iwaszczuk等进行了柔性吸收器在RCS缩减中的研究[20]，如图5所示。把设计的吸波器覆盖在金属铝圆柱侧面，测试了0.40, 0.87和 1.30 THz的RCS。在0.87 THz处，超材料表面的RCS相对金属表面减小了400倍左右，但是该结构的波段比较窄。因此实现THz宽频带RCS的缩减能更进一步满足军事等方面的实际需求，具有更重要的意义。

图4 (a)完美吸收器示意图(b)不同入射角度的吸收率(c)RCS的缩减量与频率的关系(d)金属板和吸收器的RCS与角度的关系

Fig.4 (a) schematic unit cell of metamaterial absorber (b) simulated absorbance under different incident angles (c) RCS reduction as a function of frequency under normal incidence(d) comparison of RCS as a function of angles

图5 (a)超材料结构单元示意图(b)加工的超材料弯曲在铝圆柱曲面上(c)THz吸收器，反射曲线(d)0.40, 0.87, 1.30 THz处测量的RCS结果

Fig.5 (a) diagram of metamaterial (b) metamaterial foil wrapped around an aluminum cylinder with circumference 80 mm (c) measured reflection coefficient at normal incidence of the samples (d) RCS measurements of the MM-covered cylinder at 0.40, 0.87, and 1.30 THz

4 未来发展趋势

电磁超表面出现为实现RCS缩减提供了新的技术手段，特别是编码、随机、相位梯度超表面的出现，必将在隐身领域具有广阔的应用前景，但是距实际应用还有一定距离。基于现有的研究成果，未来的研究大致分为以下几个方向。

(1)宽带电磁超表面的研究。采用有效方法设计新型编码、随机和相位不连续电磁超表面实现宽带RCS的缩减，是研制的重要问题之一。特别是编码超表面，设计性能更高的3和4 bit超表面，有可能实现更宽频段RCS缩减。

(2)柔性电磁超表面的研究。目前电磁超表面的研究，大部分为硬质基底，为了更接近实际应用，与其他器件共形或者集成化，设计并加工出柔性电磁超表面实现RCS的缩减将是未来发展趋势。

(3)太赫兹波段电磁超表面的研究。太赫兹雷达相对于微波波段，具有更高的分辨率和灵敏度，发展太赫兹雷达具有更重要的意义。为此，研究太赫兹波段RCS的缩减具有更大应用前景。

(4)大角度入射电磁超表面的研究。目前实现宽带RCS缩减基本是对于正入射的，随着入射角度的增大，RCS缩减量性能会变差。因此，研究大角度入射电磁超表面也具有更大的应用范围。

5 结 论

电磁超表面在雷达散射截面缩减中应用研究已经取得了一定的进展，特别是在微波波段。利用编码、随机、相位不连续超表面都能使入射的电磁波发生散射或者异常反射，从而实现宽带雷达散射截面的减小。但是目前该研究还主要停留在理论研究和实验阶段，该领域的研究还任重道远。一旦该技术获得突破，必将在军事、隐身等方面具有重要的应用前景。

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(Received Jan. 22, 2015; accepted May 16, 2015)

*Corresponding authors

Research Progress of Electromagnetic Metasurface Used for Radar Cross Section Reduction in Microwave and Terahertz Wave

YAN Xin1, 2, LIANG Lan-ju1,2*, ZHANG Ya-ting1, DING Xin1, YAO Jian-quan1*

1. College of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2. School of Opto-Electronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China

Electromagnetic metasurface with many special electromagnetic properties can be utilized to manipulate electromagnetic wave propagation and reflection. If the metasurfaces were designed for coding, random, phase discontinuities, perfect absorber and so on，they can manipulate the scattering or the reflection of electromagnetic wave and achieve the reduction of the radar cross section(RCS). This paper mainly presents the recent progress concerning the reduction of RCS using non - directional scattering or the absorption characteristic in microwave and terahertz wave. The analysis results show that coding electromagnetic metasurface can disperse the reflection into a variety of direction by designing the specific coding sequences for different elements. The coding metasurface which are composed of different digital elements, and the reflection phase difference of these digital elements is constant in a wide frequency range, and higher bit coding metasurface can flexible manipulate electromagnetic wave. The random electromagnetic metasurface can achieve broadband phase shifter by adjusting the size parameters of array element, and can diffuse characteristic by scattering into random wave of the reflection peaks for metal target. Phase discontinuities metasurface can achieve anomalous or diffuse of wave because the phase distribution is not uniform at the surface. The absorber metasurfaces which are designed reasonably with the physical dimensions of the devices can reduce reflection by absorbing electromagnetic wave energy. So, the electromagnetic metasurfaces have a large potential application for radar stealth, broadband communications, imaging and so on. Finally, we discussed the future development of RCS reduction by using the electromagnetic metasurface. In order to satisfy the needs of practical application, the research of metasurface will continue development in broadband, flexible, large angle and other aspects.

Electromagnetic metasurface; Radar cross section; Coding; Random; Phase discontinuities; Absorber; Progress

2015-01-22，

2015-05-16

国家自然科学基金项目(61271066)，山东省科技发展计划项目(2013GGA04021)和中国博士后科学基金项目(2015M571263)资助

闫 昕, 1977年生, 天津大学精密仪器与光电子工程学院讲师 e-mail: yxllj68@126.com *通讯联系人 e-mail: lianglanju123@163.com； jqyao@tju.edu.cn

TB34; O441

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1639-06