宽带RCS缩减与高效透波一体的多功能编码超表面设计

傅宇峰，王 晨，陈 平

(南京大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210093)

0 引言

随着雷达探测技术的发展，对实现目标隐身的技术也提出了越来越高的要求，如何降低目标的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)缩减成为这些年来研究者们的关注热点。超材料能够通过对结构和排布的设计实现一些自然材料所无法实现的奇异的电磁特性，这就为调控电磁波提供了崭新的平台，特别是在电磁隐身领域[1]。而超表面，作为一种二维的超材料，由于其低剖面、易制备、设计简单的特点，更是被广泛的关注和研究，同时通过简单的二维平面结构设计对幅度、相位和极化状态进行灵活调控，实现多种多样的功能[2-6]。如，同时集成了低散射和传输特性的超表面[7-9]，它在实现宽带的RCS缩减的同时，能够在一定频带提供高效的传输窗口。

由Munk[10]提出的频率选择吸波体(Frequency Selective Rasorber,FSR)就是通过结合吸收型超表面和频率选择表面同时实现RCS缩减和传输功能的多功能超表面。随后，Costa等人[11]结合电阻型超表面和带通型频率选择表面实现了一个吸波体。但是由于损耗型超表面的引入，超表面的插损不可避免地会受到影响，必须要通过复杂的设计去解决这一问题实现低插损的传输。陈强等人[12]就通过对损耗型超表面引入复杂的多谐振结构降低了对Rasorber插损的影响，但是这种设计又增加了结构的复杂度。

当然，除了吸收之外，干涉相消也是实现宽带RCS缩减的方法之一[13]。干涉相消型超表面可以通过特殊的基元排布方式，利用反射相位的不连续性将入射电磁波散射到不同方向上，实现RCS缩减。Paquay[14]提出了利用人工磁导体和完美电导体之间的180°反射相位差，结合棋盘式排布实现后向散射缩减。但由于完美电导体的恒定反射相位，RCS缩减频带较窄，因此也有一些工作提出用不同的人工磁导体实现散射相消[15-16]。但是，利用棋盘格的排布方式组成的干涉相消型超表面，其散射场在法向以外往往会有较强的副瓣。因此，为了防止出现较强副瓣，一些随机排布的干涉相消型超表面也被提出[17-18]，能够有效地降低超表面的双站RCS。除此之外，由于干涉相消型超表面基元无耗的特性，它在低散射和传输特性集成的超表面设计中具有明显的优势，能够有效地降低传输带插损。

本文通过对基元等效电路模型的分析，得到了实现干涉对消的双单元理想表面电抗关系，并基于电路相位调控，上层部分利用单层的带阻型图案实现在高频的宽带180°反射相位差，底层部分利用多层的非谐振结构实现低频的宽带传输，同时在带外提供反射面，设计形成基元后，通过随机排布组成的超表面在6.51～17.22 GHz实现了小于-10 dB的宽带RCS缩减，同时在2.86～3.82 GHz有大于-1 dB的传输窗口，制备了样品并进行了实验验证。实验结果和仿真结果的一致性说明了所提出设计方法的正确性和有效性，同时也给设计同时具有降低RCS和传输特性的天线罩提供了可靠的解决方案。

1 单元结构设计

超表面的功能和结构示意图如图1(a)所示，其由上层部分的单层带阻型金属图案和下层部分的多层带通频选以及中间的空气传输线组成，因此基元可以由如图1(b)所示的等效电路模型进行分析。由于理想的金属图案为无耗结构，因此其等效表面阻抗可以由纯电抗jX进行表征。下层部分的带通频选在带外起到提供反射面的作用。因此基元的等效电路模型可以简化为上层图案的等效表面电抗并联一段短路传输线。

(a) 超表面功能和结构示意

因此可以得到端口1的输入阻抗为：

Zin=jXtop∥jZ0tanβd,

(1)

式中，Xtop为上层图案的等效表面电抗；Z0为空气传输线的特性阻抗；β为传输线的传播常数；d为传输线的长度。因此端口1的反射系数为：

(2)

对于由相同比例的2种基元组成的二元超表面来说，在正入射激励下的后向散射场表示为[17]：

AF=0.5×(A0+A1ejΔφ),

(3)

Δφ=|φ1-φ0|,

(4)

式中，A0和A1为2种基元的归一化激励幅度值；φ0和φ1分别表示2种基元的反射相位，因此Δφ即2个基元之间的反射相位差。而对于一个平板目标而言，RCS缩减的性能相当于其参考相同尺寸金属板的S11，可以表示为[17]：

RCSR=20lg|0.5×(A0+A1ejΔφ)|。

(5)

由式(5)可知，理想情况下，要实现干涉对消降低RCS，2个基元之间的反射相位差Δφ为180°，即两基元端口反射系数Γ的相角差为180°，因此：

(6)

(7)

式中，Zin0和Zin1为二元干涉对消型超表面两基元的输入阻抗。如式(7)所示，可以得到上层2个图案的等效表面电抗之间的理想关系。

基于这样的分析，选择如图1(c)所示的耶路撒冷十字型作为上层的带阻型金属图案，并根据表面电抗关系对几何参数进行优化，在基元的周期p=16 mm，空气厚度d=6.5 mm条件下，确定了两单元的结构尺寸为：a0=2.42 mm,b0=10.32 mm,w0=1.2 mm,a1=9.34 mm,b1=10.84 mm,w1=0.42 mm。同时对2个单元表面等效阻抗进行了分析，如图2(a)所示，在确定0单元的结构后，对不同的1单元表面阻抗下双单元散射超表面的反射特性进行了计算，将实际使用的1单元的等效表面阻抗与其进行比较发现，在5.8～15.7 GHz范围内都能落在-10 dB范围内。

为了在低频设计传输窗口，考虑到一般的单层谐振结构设计低频透波会导致在高频出现高次谐振，影响高频的宽带RCS缩减，因此考虑利用非谐振结构级联设计带通频选。如图1(d)所示，下层部分的带通频选分别由上下两层的方形贴片和中间的栅格组成，3层金属结构之间分别为一定厚度的F4B基板，其相对介电常数为2.65。利用仿真软件对带通频选结构进行优化可以得到其几何尺寸为：h=2.9 mm,l=7.8 mm,s=1.23 mm。如图2(b)所示，带通频选结构在2.9～4.4 GHz有插损小于1 dB的传输特性。

(a) 0单元确定时不同1单元表面电抗下与其组成超表面的反射特性热度图以及上层图案的表面等效电抗

2 超表面设计与仿真结果分析

将上层金属图案加载在介质衬底上，并与下层的带通频选进行组合得到0，1单元，图3(a)和(b)所示为两基元的反射和传输特性，其反射相位在宽带范围内满足了180°±37°的相位差，同时在2.8～3.8 GHz都有传输性能，且传输相位相差较小。

(a) 2个基元的反射特性

为了满足不同基元解耦所需的周期边界条件[14]，首先将2个基元分别组成3×3的超胞，再利用算法按照1∶1的比例生成6×6随机排列矩阵对超胞进行排列形成超表面[19]。多次随机生成的超表面的仿真结果具有较好的一致性。其中一种排布如图4(a)所示。仿真结果表明，超表面在2.86～3.82 GHz有大于-1 dB插损的传输窗口，在6.51～17.22 GHz有小于-10 dB的RCS缩减，如图4(b)所示。

(a) 随机生成的超胞排布矩阵

利用仿真软件分析了偏振角与入射角对超表面性能的影响，结果如图5所示。由于所设计的平面结构具有C4对称性，因此所设计的超表面对偏振角φ不敏感[20]。在不同偏振角的电磁波激励下，超表面的反射和传输性能基本保持不变。同时也进行了不同入射角横电极化(TE)和横磁极化(TM)电磁波激励时的反射和传输特性的仿真。从仿真结果可以看出，超表面的-10 dB的RCS缩减带宽随入射角的增大有所劣化，但在30°以内仍有较好的性能；超表面的传输特性在不同极化电磁波的斜入射激励下有较好的稳定性，超表面在入射角达到30°依旧能够在低频实现良好的宽带传输。

(a) 不同偏振角φ激励下超表面的反射特性

为了进一步说明超表面的散射性能，对平面波激励下的超表面的散射场进行了仿真,如图6所示。为在平面波正入射激励下，在高频范围超表面的单站RCS实现了明显的缩减。为了更好地证实所提出超表面降低RCS的机理，也进行了超表面平面波正入射激励下的双站RCS仿真。从仿真结果可以看出，超表面通过将电磁场散射到不同方向上，实现了后向的RCS缩减。

(a) 正入射激励下超表面的单站RCS

3 实验验证与分析

根据优化得到的几何尺寸和随机生成的排布方式，制作了超表面样品，其尺寸为288 mm×288 mm×12.55 mm，如图7所示。屏风测试系统由Keysight N5244A矢量网络分析仪、一个3 m×3 m的吸收屏风和一对宽带喇叭组成。吸收屏风的宽度为最大工作波长的20倍，可以不考虑电磁波的衍射效应。测试样品放置在如图7(b)所示的屏风中心位置，利用自由空间法分别进行样品的反射和透射性能的测试。在测试前分别进行反射和直通校准[21]。实验测试得到超表面的反射特性如图8(a)所示，可知超表面在7.2～16.3 GHz具有小于-10 dB的宽带RCS缩减；同时超表面实现了在3.1～3.7 GHz具有插损小于1 dB的传输，如图8(b)所示。与仿真结果相比，虽然超表面的性能有所劣化，但考虑到多层超表面制备工艺和层叠产生的误差影响，可以认为实验和仿真结果具有一致性。

(a) 测试系统示意

(a) 正入射下超表面反射特性的仿真实验结果对比

4 结束语

本文提出了一种低频高效传输、高频宽带RCS缩减集成的多功能编码超表面。首先基于等效电路模型对干涉对消中基元的阻抗关系进行了分析，并基于理论采用电路相位调控的方法，基元上层利用耶路撒冷十字结构调控基元的反射相位，下层利用贴片和网格线的多层非谐振结构实现了低频宽带传输。基于设计的超表面组成了超表面并进行了全波仿真，仿真结果显示了该散射-透波型超表面在6.51～17.22 GHz具有小于-10 dB的宽带RCS缩减，并且在2.86～3.82 GHz有插损小于1 dB的传输窗口。制备了超表面样品，并进行了实验验证，实验与仿真结果具有一致性。这项工作为实现低RCS天线或隐身天线罩提供了一种新的解决方案，在隐身技术中具有重要意义。