动态调控电磁隐身表面

徐红欣 陈艳蕊 周永金，2 肖诗逸

（1. 上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444；2. 东南大学 毫米波国家重点实验室，南京 210096）

引 言

隐身是人类从古至今，从古代神话故事到现代科幻电影，一直希望拥有的超能力. 21 世纪后，隐身技术的发展促进了各国武器装备竞争的加剧，发展隐身技术，提高武器系统生存、空防和纵深打击能力，已经成为集陆、海、空、天、电磁五位一体的立体化现代战争的迫切需要. 雷达隐身可以通过改变目标的外形、材料结构和电磁特征来实现. 雷达罩是用来保护天线或整个微波系统在有害环境下能够正常工作的“电磁透明窗”功能体，在实现高透波的情况下还需要对雷达通信系统进行隐身，即降低其雷达散射截面(radar cross section, RCS). 因此，高性能雷达罩已成为武器装备不可分割的重要组成部分[1]. 现代科学掌握的雷达罩电磁隐身技术包括以下三个方面：反射型隐身[2]，通过将敌方雷达的入射波反射到不同方向，以降低其RCS；吸波隐身[3]，通过吸收外部电磁波，将电磁能量转化为热能；电磁感知拟态隐身[4]，类似于变色龙一样的功能，根据外部的电磁环境的变化来产生适应于环境的电磁波. 电磁隐身表面作为现代军事雷达和现代无线通信的研究热点之一[5]，频率选择表面(frequency selective surface, FSS)和超表面在提升雷达罩隐身方面已取得极大的应用[6-7].

本文针对于现代雷达罩隐身，将通过带内透波/带外反射和带内透波/带外吸波隐身表面、带内透波/吸波和电磁感知隐身超表面四部分分别进行概述，并给出我们设计的一种具有吸波/透波动态调控的电磁隐身超表面.

1 电磁隐身表面研究进展

1.1 带内透波/带外反射隐身表面

20 世纪70 年代，Munk 等人基于FSS 设计了第一款金属天线罩[8]. 2006 年，Luo 等人通过采用级联基片集成波导腔的结构[9]，如图1(a)所示，实现了图1(b)陡降宽通带的FSS，不仅拓宽了雷达罩通带的带宽，并且实现了陡降型带外抑制.

图1 陡降型带内透波/带外反射结构[9]Fig. 1 FSS structure with in-band transmission and out-ofband reflection[9]

带内透波/带外反射型的雷达罩主要是在完成带内雷达通信的基础上，将敌方雷达的探测波反射到不同方向，从而降低来波方向上的RCS 来实现隐身.在敌方探测雷达为单站雷达时，带内透波/带外反射型的隐身表面可以有效地将敌方雷达信号反射到与入射雷达波方向不同的地方，将RCS 缩减10 dB 以上[10]. 但当探测雷达由单站雷达拓展为双站或多站雷达时，带内透波/带外反射型隐身方式将失去用武之地. 而通过将带外反射转变为带外吸收则可以克服被双站或多站雷达探测到的缺点.

1.2 带内透波/带外吸波隐身表面

2012 年，Filippo 等人设计了一款具有宽带吸波特性的FSS 雷达罩[11]，如图2(a)所示，该结构由周期性十字型结构层、中间泡沫层和无耗FSS 层三部分组成. 由图2(b)可以看到，其在低频实现了带通通信(带内透波)，而高频段则实现了宽带吸波(低反射低透射)的隐身.

图2 带内透波/带外吸波无源FSS [11]Fig. 2 Passive FSS structure with in-band transmission and out-of-band absorption[11]

2020 年，Lee 等人设计了一款在低频宽带吸波和高频窄带透波的带内透波/带外宽带吸波的有源隐身FSS 结构[12]，结构设计如图3(a)所示，上层为加载电阻薄片的分形结构(实现低频宽带吸波)，中间介质层为纤维增强复合结构，下层为无耗FSS(实现高频窄带透波特性). 仿真结果如图3(b) 所示，实现了1.77～5.59 GHz 内90%以上的吸波率和中心频点在7.78 GHz 处的窄带透波.

图3 带内透波/带外吸波有源FSS 结构[12]Fig. 3 Active FSS structure with in-band transmission and out-of-band wideband absorption[12]

随着FSS 和超表面的发展，研究者设计实现了越来越多带内透波/带外吸波结构的隐身表面. 不过，对于带内透波/带外吸波的隐身表面，带内透波时，通信雷达/天线仍然易被敌方探测雷达检测到. 带内吸波/透波一体的设计和实现则可以有效解决上述问题.

1.3 带内透波/吸波隐身超表面

2019 年，上海大学肖诗逸教授课题组提出了一种可实现完美透明窗口/完美吸波动态切换的超表面[13]，该结构如图4(a)所示，其中上层金属缝隙和下层金属缝隙中分别加载了PIN 二极管，通过改变PIN 二极管的电压值，实现了同一频带内的宽带透波与窄带完美吸波的动态切换. 如图4(b)所示，当上下层的PIN 二极管偏置偏压为0 V 时，该结构工作于6～7 GHz 宽带透波的状态；当打破上下结构的对称性，上层和下层PIN 二极管电压值分别为0.6 V 和0.53 V 时，该结构工作于中心频点在6.5 GHz 窄带完美吸波的状态.

图4 完美透明窗口/完美吸波动态切换隐身超表面[13]Fig. 4 Switchable metasurface with in-band transmission and absorption[13]

同年，Ratanak 等人提出了一种自可重构多功能超表面[14]，如图5 所示，其由有源超表面和贴片天线组成. 该系统无需感知系统、微处理器(MCU)、可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)和电源供给即可实现隐身. 当高功率电磁波入射时，超表面工作于透波状态，此时入射电磁波在上层超表面和下层天线间多次反射，提升了天线增益. 当低功率电磁波入射时，超表面处于窄带透波状态，天线背面地板作为反射板，实现了对入射电磁波的窄带吸收.该结构巧妙地通过肖特基二极管改变超表面单元缝隙处的电磁耦合强度，从而改变超表面的工作频率，与具有反射地板的微带天线结合，实现了具有带内透波/吸波的隐身结构.

图5 自可重构隐身超表面[14]Fig. 5 Self-reconfigurable metasurface[14]

1.4 电磁感知隐身超表面

东南大学崔铁军院士课题组首次提出了可编程超表面[15]，通过FPGA 对超表面进行馈电实现对电磁波的调控，可以降低RCS，从而实现隐身的功能.2019 年，他们在数字编码超表面上添加能量感知模块实现了对入射电磁波能量的感知，并结合FPGA和MCU 设计了一种数字非线性超表面[16]，实现了适用于不同场景的多功能数字超表面. 如图6 所示，该结构通过前后两个微波检测电路、数字控制模块和可调的超表面结构组成. 该系统工作原理如下：当前向(后向)微波检测电路接收到前向(后向)入射电磁波时，通过能量检波模块将微波能量的强弱以直流信号的大小反馈到控制模块，通过不同的预设定表面序列输入来控制输出到超表面上的电压值，从而实现不同功能.

图6 多功能数字超表面[16]Fig. 6 Multifunctional digital metasurface[16]

同年，该课题组进一步提出了一种智能感知双极化超表面[17]，如图7 所示，4 个传感单元可以检测入射到超表面上的电磁波的极化和能量强度，通过MCU 对入射电磁波极化进行判断，并控制FPGA 对超表面进行馈电，改变超表面的编码序列从而实现不同功能，包括降低RCS 实现隐身.

图7 智能传感双极化超表面[17]Fig. 7 Smart sensing dual-polarization metasurface[17]

随后，崔院士课题组在超表面每个单元上加入微波检测电路，实现了一种能量感知的非线性可重构数字超表面[18]，该结构由超表面和FPGA 等组成，如图8(a)所示，图8(b)是该超表面的单元结构和能量感知模块. 随着入射电磁波功率的提升，其反射波可以由单波束变到多波束，从而降低RCS. 当入射到超表面上的电磁能量密度为27 dBm/m2时，其反射波为垂直于超表面的单波束；当入射微波能量为39 dBm/m2时，其反射波与z轴形成30°偏折. 通过入射到超表面上微波能量的大小可以控制FPGA 输出不同编码序列，来产生不同的电磁波束，在电磁波束的控制上实现了更高的自由度.2019 年，崔院士课题组又提出了一种无需人工干预的自适应可编码超表面[19]，该系统由超表面、感知模块、FPGA 和MCU 组成，如图9 所示. 通过在超表面上加载陀螺仪传感器来判断超表面的俯仰角和方位角，由储存在MCU 里的算法根据两个角度的变化控制FPGA 改变超表面的编码序列，调整超表面的波束指向.

图8 能量感知的非线性数字超表面[18]Fig. 8 Intensity-dependent digital metasurface[18]

图9 自适应可编程智能超表面[19]Fig. 9 Smart reprogrammable metasurface[19]

2020 年，浙江大学陈红胜课题组利用深度学习与编码超表面的结合实现了无需人工干预的自适应微波隐身斗篷[20]，如图10 所示，由两个电磁探测器、深度学习网络模块、MCU、FPGA 和超表面组成. 其中一个探测器监测空中入射电磁波，另外一个探测环境电磁波，结合深度学习网络对环境电磁波和入射电磁波进行特征提取，并与数据库中的特征进行对比找到最合适的收敛解，通过FPGA 控制超表面馈电，调控反射波束，可以对不同环境进行智能自适应隐身，无需人工干预.

图10 自适应微波隐身斗篷[20]Fig. 10 Self-adaptive microwave stealth cloak[20]

上述工作为智能电磁隐身表面的发展奠定了扎实的基础，不过上述智能感知隐身超表面均为反射性超表面，还难以兼顾通信与隐身.

2 动态调控电磁隐身超表面

为满足现代军事雷达隐身的需求，我们设计了一款具有吸波/透波动态调控的电磁隐身超表面，实现了透波和吸波的自由切换，在现代军事通信与隐身发展中有重要应用前景.

2.1 通带可切换超表面

首先设计了一款通带可切换的超表面，利用PIN 二极管的开关控制带通超表面的状态，实现通带的开启和关闭.

通带可切换超表面单元结构如图11(a)所示，其中橙色介质基板介电常数为2.55，损耗角正切为0.002，厚度0.5 mm，PIN 二极管加载在带通超表面圆环缝隙处. PIN 二极管的偏置电路网络如图11(b)所示，底层的十字型金属结构通过通孔和上层的环形金属贴片相连并与PIN 二极管的阴极连接，上层的外部金属贴片与PIN 二极管阳极相连，通过在上层外部金属贴片设置低电位，在下层十字金属馈电网络设置高电位，在PIN 二极管两端形成了正向偏置电压，实现对二极管开关状态的控制，从而控制该超表面的通带可切换功能；同时该结构和馈电网络的设计均满足旋转对称特性，可以实现对x和y极化波的动态调控，具备极化不敏感的性能. 为得到带通超表面的动态调控效果，通过CST Microwave Studio 电磁仿真软件对上述单元结构进行全波仿真，在单元结构的x与y方向均设置unit cell 边界条件，z方向为open space 边界条件. 用等效RLC 电路来对PIN 二极管进行建模，用可调的并联电阻和固定电容代替PIN 二极管，如图11(c) 所示，通过调整电阻阻值来模拟PIN 二极管的通断状态. 当外部偏置电压为0 V、R=1 MΩ 时，PIN 二极管处于断开状态；当外部偏置电压为0.6 V、R= 100 Ω 时，PIN 二极管处于正向导通状态.

图11 动态可调带通超表面的单元结构Fig. 11 The unit cell with dynamically tunable metasurface

通过CST 软件模拟电磁波在垂直入射下可调带通超表面的电磁性能，透射系数如图12 (a)所示，当PIN 二极管处于断开状态时，在10.9 GHz 处实现了电磁波的通带. PIN 二极管处于断开状态及缝隙的存在使得上层的金属圆环和外部的金属铁片形成开路，该结构存在共振的行为，从而实现了在10.9 GHz的透波. 当二极管由断开状态切换到导通状态时，通带消失，带内的电磁波由透波转化为反射，由于PIN 二极管的导通导致上层的金属圆环和外部的金属铁片形成短路，金属之间具有良好的电接触性能，在该频段消除了结构之间的共振行为.

观察10.9 GHz 处超表面上二维表面电流分布，如图12(b)所示，入射波垂直入射，TM 极化. 可以看出，当PIN 二极管处于断开状态时，电流主要集中分布在金属圆环和外部金属贴片的缝隙处，于是在缝隙处形成了共振，导致透波的产生. 图12(c) 中，当PIN 二极管处于开启状态，表面电流密度明显降低，无共振发生，导致入射电磁波发生全反射. 由于该结构旋转对称，对于TE 极化波也具有相同的响应.

图12 PIN 二极管在断开和导通两种状态下的透射系数和表面电流Fig. 12 The transmission coefficients and surface current when PIN diode is OFF/ON

2.2 动态调控隐身超表面

上述超表面的设计实现了在单层结构上添加PIN 二极管并通过改变PIN 二极管的外部偏置电压控制透波和反射状态，实现了反射/透波的动态切换.在此基础上，通过将可调带通超表面与加载电阻的宽带吸波层结构结合，设计了一款动态调控的吸透一体超表面，该结构实现了在通带内实现可切换的透射/反射状态，且带外宽带吸波的性能. 动态调控的吸透一体超表面结构如图13 所示，由吸波层和通带可调控的透射层构成，组成了通带可调控的带外吸收超表面. 图中橙色部分表示介质，灰色表示金属，吸收层介质基板采用介电常数为4、损耗角正切为0.005 的F4BM-2，厚度为0.5 mm；透射层基板采用的是介电常数为2.2、损耗角正切为0.000 9 的罗杰斯5880，厚度为0.5 mm. 吸收层上焊接了4 个电阻提供宽频吸收，透射层焊接了4 个PIN 二极管来实现通带可切换的性能. 几何参数如下：p= 10 mm，l= 5 mm，s= 1.6 mm，r1= 3.1 mm，r2= 2.8 mm，r3= 2.8 mm，r4=2.5 mm，g= 0.1 mm，w= 0.3 mm，h= 5 mm，金属圆环线宽为0.1 mm，吸收层电阻阻值为120 Ω，整体厚度为6 mm.

图13 通带可切换的带外吸收超表面单元结构示意图Fig. 13 Diagram of switchable metasurface with out-of-band absorption

图14 为利用CST 电磁仿真软件得到的垂直入射下的通带可开关带外吸收超表面仿真结果. 从图14(a)可以看到，当PIN 二极管断开时，在11.34 GHz 处形成了窄带透波，插入损耗最小为0.76 dB，而在带外吸收频段分别为4.8～11.0 GHz 和13.5～16.0 GHz，吸波率均在-10 dB 以下. 从图14(b) 可以看到，当PIN二极管导通时，透波窗口消失，而吸收频段和吸收效率基本没有发变化.

图14 通带可开关带外吸收超表面仿真结果Fig. 14 The simulation results of switchable metasurface with out-of-band absorption

上述11.34 GHz 处的通带调控，主要由吸收层缝隙g的大小和吸收层内部金属圆环的大小来实现吸收频点的偏移. 图15(a)为该隐身结构在通带可调频点11.34 GHz 处的表面电流分布，当PIN 二极管处于断开状态时，吸收层缝隙g处产生了明显的电流分布，即该结构由于缝隙处谐振的产生在11.34 GHz频点处形成了透波. 如图15(b)所示当PIN 二极管处于开启状态时，缝隙g处的表面电流消失，导致该结构的谐振频点消失，使得电磁波全反射. 故由于上下层结构的结合，通过对下层PIN 二极管的断开到开启的控制，使得吸收层缝隙g处的表面电流由大到小，实现了通带内的透波/反射的动态切换. 本文主要关注的是通带可开关带外宽带吸收的性能，若要实现多频点或宽带的动态调控，可通过调节吸收层缝隙g的大小和增加吸收层内部金属圆环的数量来产生多频点谐振，从而实现多频点或宽带的通带动态切换.

图15 隐身结构在11.34 GHz 处的表面电流分布Fig. 15 The distributions of surface current at 11.34 GHz

当电磁波垂直入射时，可以实现在11.34 GHz 通带的吸波/反射的动态切换，带外的宽带吸波. 而作为隐身雷达罩的使用还需要考虑不同角度入射电磁波时吸透一体化超表面的性能. 当以不同角度入射时，入射波的电场分量和磁场分量会发生明显区别，由于在不同入射角度下，通过超表面的电场分量和磁场分量不同，会导致其透波和吸波性能发生改变，但本结构是旋转对称结构，因而对于斜入射情况仍有很好的性能. 图16(a)给出了当PIN 二极管处于断开状态时，该结构在15°、30°和45°入射时的S 参数，可以看到随入射角度增加，透波性能没有发生明显变化；图16(b) 中当PIN 二极管开启时在15°、30°和45°入射角度下的S 参数表明其性能也没有发生明显变化，因此该结构具有较好的角度稳定性能.

图16 吸透一体化超表面不同入射角度下的S 参数Fig. 16 S parameter for different incident angles of transmission absorption stealth surface when PIN diode is OFF/ON

综上所述，该结构通过上层的吸收层和下层具有馈电结构的可调超表面的结合可以实现设备在通带内窄带透波的开/关，同时保持带外良好的吸波性能. 该设计提升了设备的带内隐身能力，当设备工作时，通带打开满足正常的通信需求；当设备不工作时，通带关闭，有效抑制敌方获取我方信息的能力.

3 结 论

本文针对电磁隐身表面分析了带内透波/带外反射和带内透波/带外吸波隐身表面、带内透波/吸波和电磁感知隐身超表面，提出了一种利用PIN 二极管实现通带可开关带外吸收的超表面，实现了当PIN二极管断开时，在11.34 GHz 处出现窄带透明窗口，在带外4.8～11.0 GHz 和13.5～16.0 GHz 的吸波性能均在-10 dB左右；当PIN 二极管导通时，吸波频段的吸波性能基本无变化，但关闭了11.34 GHz 处的窄带透明窗，从而实现了通带可开关的吸透一体化超表面，在现代军事雷达中有重要的应用前景.