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(xué)基礎(chǔ)部， 西安，710051； 2.93128部隊， 北京， 100843； 3.西安交通大學(xué)電信工程學(xué)院， 西安， 710049)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭和技術(shù)的發(fā)展，隱身技術(shù)成為了武器裝備發(fā)展的必然趨勢，特別是航空裝備。所謂“隱身技術(shù)”，也被稱為“目標(biāo)特征信號控制”或“低可探測技術(shù)”，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(zhàn)效能[1]。傳統(tǒng)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(shù)，通過外形設(shè)計調(diào)控散射波的方向，使其遠離雷達的接收方向，外形隱身技術(shù)一直以來都是隱身技術(shù)的首選途徑[4]。其二是材料隱身技術(shù)，通過加載吸波材料，將電磁波轉(zhuǎn)化為熱能，降低RCS[5]。大量的吸收材料包括復(fù)合材料[6]，加載集總元件[7]，和吸波超材料[8]等，已經(jīng)被設(shè)計、制作和測試，實現(xiàn)了多頻帶、寬頻帶的電磁吸收。通過上述方法，已經(jīng)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(yīng)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(biāo)RCS的另一種有效方法，利用超表面實現(xiàn)對消近年來受到人們的重視。為了減小目標(biāo)后向RCS，文獻[11]提出了由理想導(dǎo)電體(PEC)和人工磁導(dǎo)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(xiàn)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(gòu)建了超表面[12-13]。此外，還報道了吸收和散射相消相結(jié)合的機理，以實現(xiàn)寬帶RCS的降低[14]。

在綜合外形設(shè)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(tǒng)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(diào)控與賦形，大口徑陣列天線已經(jīng)逐步應(yīng)用，一方面提升飛行器作戰(zhàn)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(chǔ)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(xiàn)實需求，文獻[17]提出了吸收-散射頻率選擇天線罩設(shè)計。通過復(fù)合集總元件和帶通型頻率選擇表面實現(xiàn)了“吸收—透射—散射”；文獻[18]提出了由多層金屬結(jié)構(gòu)組成的各向異性的單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了“散射—透射—散射”的電磁功能超表面。本文提出了極化旋轉(zhuǎn)超表面復(fù)合帶通頻率選擇表面的新型超表面設(shè)計。通過調(diào)節(jié)極化旋轉(zhuǎn)介質(zhì)響應(yīng)厚度，實現(xiàn)兼具同極化透波“窗口”和雙帶交叉極化反射的超表面設(shè)計。然后利用幾何相位僅對交叉極化波有響應(yīng)的特點，實現(xiàn)透波“窗口”外的低散射特性。

1 設(shè)計原理

相位調(diào)節(jié)方式包括傳輸相位、諧振相位等。2014年，研究人員開發(fā)了幾何相位概念，研究了極化旋轉(zhuǎn)單元與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。當(dāng)元原子繞其中心旋轉(zhuǎn)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(jù)電磁場理論，PL(R)和Px、Py有如下關(guān)系：

PL(R)=Px±jPx

(2)

EL(R)與Ex和Ey的關(guān)系式為：

EL(R)=Ex±jEy

(3)

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

(4)

由式(4)可知，當(dāng)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(dāng)單元繞中心旋轉(zhuǎn)時，才會發(fā)生相移。此外，旋轉(zhuǎn)角度可以從0調(diào)整到π，從而產(chǎn)生覆蓋2π的相移；而對于同極化反射/透射波，則旋轉(zhuǎn)單元不會產(chǎn)生相移。利用這一性質(zhì)，可以通過設(shè)計極化旋轉(zhuǎn)單元的極化特性，在低頻和高頻表現(xiàn)為反射型極化旋轉(zhuǎn)表面，而在中間頻帶，則表現(xiàn)為透波表面。然后分別獨立調(diào)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(shè)計與仿真

2.1 單元設(shè)計

極化旋轉(zhuǎn)超表面的研究已經(jīng)日趨成熟，在研究中不難發(fā)現(xiàn)，極化旋轉(zhuǎn)效率和頻帶帶寬與結(jié)構(gòu)單元的響應(yīng)厚度息息相關(guān)，也就是說，盡管采用同一結(jié)構(gòu)單元，但是不同的響應(yīng)厚度，會使得極化旋轉(zhuǎn)效率和頻帶千差萬別。如圖1所示，采用“雙箭頭”結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)單元[21]，金屬結(jié)構(gòu)刻蝕在0.1 mm的FR4介質(zhì)(εr=4.3，tanδ=0.025)，金屬線寬0.1 mm。下層結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)泡沫(εr=1.1 mm)厚度記為df，其他參數(shù)：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(zhuǎn)性能的影響，其同極化反射率結(jié)果如圖2所示，可以看出，當(dāng)h1=5 mm時，在12～18 GHz能夠?qū)崿F(xiàn)高效的極化旋轉(zhuǎn)。隨著h1的增加，極化旋轉(zhuǎn)頻帶向低頻移動。當(dāng)h1=10 mm時，高效的極化旋轉(zhuǎn)發(fā)生在4.5～8.8 GHz。上述結(jié)果說明：通過調(diào)節(jié)極化旋轉(zhuǎn)單元的響應(yīng)厚度，能夠調(diào)節(jié)極化旋轉(zhuǎn)效率和頻帶。

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 不同厚度下的同極化反射率對比

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

圖3 結(jié)構(gòu)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(yōu)化算法對單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，由于優(yōu)化算法并不是本文工作的研究重點，在這里不再贅述。經(jīng)過優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)結(jié)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(shè)計最重要的參數(shù)，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(jié)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(zhuǎn)單元的性能受到響應(yīng)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(zhì)厚度，對其透波性能并不產(chǎn)生影響。根據(jù)仿真結(jié)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(nèi)可實現(xiàn)高效的交叉極化反射。同時，在10.0～11.0 GHz頻帶內(nèi)實現(xiàn)了高效的同極化透射，插損低于1 dB，達到0.8 dB，達到設(shè)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(jù)幾何相位特性，通過旋轉(zhuǎn)單元特性，可以調(diào)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(nèi)幅值均低于-10 dB，因此，只給出旋轉(zhuǎn)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?？梢钥闯?，旋轉(zhuǎn)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(qū)域為極化旋轉(zhuǎn)頻帶，藍灰色區(qū)域則是同極化透波窗口。

圖6 極化旋轉(zhuǎn)單元旋轉(zhuǎn)前后的幅值相位對比

2.3 棋盤超表面設(shè)計

棋盤結(jié)構(gòu)縮減RCS是基于干涉相消原理實現(xiàn)的。通過設(shè)計棋盤表面單元的反射相位，調(diào)控反射波偏離原來的入射方向，縮減后向RCS。最初棋盤結(jié)構(gòu)實現(xiàn)縮減RCS是利用完美電導(dǎo)體(perfect electronic conductivity，PEC)和人工磁導(dǎo)體(artificial magnetic conductor，AMC)[9]，當(dāng)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(jié)構(gòu)，棋盤結(jié)構(gòu)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(diào)控反射波遠離入射方向，實現(xiàn)后向RCS縮減。

將構(gòu)成棋盤結(jié)構(gòu)的相位響應(yīng)不同的區(qū)域分別定義為“0”和“1”，當(dāng)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(qū)域的面積大小；A0和A1分別為不同區(qū)域的反射幅值；Δφ=φ0-φ1，是“0”和“1”區(qū)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(qū)域的占比。根據(jù)式(6)，可以看出通過調(diào)節(jié)f、“0”和“1”區(qū)域的反射幅值和反射相位差，就能實現(xiàn)相應(yīng)的RCS縮減，特別地，當(dāng)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(guān)系為[23]：

(7)

根據(jù)以上棋盤結(jié)構(gòu)設(shè)計分析原理，利用2.1節(jié)中的超表面單元結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)上層極化旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)頻帶(5.0～7.0 GHz和12.5～17.5 GHz頻帶內(nèi))作進一步說明，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，當(dāng)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(xiàn)RCS縮減。

圖7 遠場散射性能

3 結(jié)果與討論

根據(jù)前文的棋盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，以2.3節(jié)設(shè)計的棋盤式超表面為模型加工樣品。樣品為3層結(jié)構(gòu)通過粘接組成，上層為極化旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)層，第2層為硬質(zhì)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(nèi)，對樣品的散射性能進行測試。最后利用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭在加載設(shè)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(yīng)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(dāng)反射率和透射率均較低時，才能準(zhǔn)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(tài)和測試結(jié)果。

圖8 實驗狀態(tài)圖

當(dāng)接收發(fā)射喇叭天線在樣品一側(cè)時，測試樣品的鏡面反射率S11，當(dāng)接收發(fā)射喇叭天線在樣品兩側(cè)時，測試樣品的透射率S21。從圖8(c)的測試結(jié)果可以看出，在10.5 GHz處具有高效的透射，而在兩側(cè)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(nèi)，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(cè)頻段的法向RCS得到降低，達到了預(yù)期目的。

3.2 透射性能測試

為了進一步驗證設(shè)計的超表面的透射性能以及在天線罩中的應(yīng)用潛能，在微波暗室中，利用標(biāo)準(zhǔn)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(tài)如圖9所示，其中超表面被放置在發(fā)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(zhuǎn)前后對于同極化透射波無相位響應(yīng)，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(jié)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(xiàn)這一目標(biāo)，首先分析了幾何相位的特性以及介質(zhì)響應(yīng)厚度對于極化旋轉(zhuǎn)特性的影響。然后基于分析結(jié)果，提出了極化旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合頻率選擇表面的復(fù)合設(shè)計架構(gòu)，通過帶通型頻率選擇表面的通-阻特性調(diào)節(jié)極化旋轉(zhuǎn)單元的響應(yīng)厚度，分別在低頻和高頻實現(xiàn)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(jié)果表明，所設(shè)計的超表面均表現(xiàn)出帶通特性，同時可在傳輸窗口外實現(xiàn)寬帶低散射特性，并利用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，對比加載設(shè)計的超表面結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)設(shè)計的多層結(jié)構(gòu)造成帶內(nèi)插損較大，達到1.3 dB，對輻射性能有一定影響，在今后的設(shè)計中可以采用低介電常數(shù)介質(zhì)，降低結(jié)構(gòu)金屬占比以降低諧振等的方式來降低插損。本文的研究結(jié)果提出了一種散射—透波—散射超表面設(shè)計方法與架構(gòu)，在隱身天線罩中具有潛在的應(yīng)用價值。后期針對不同頻帶的相位、幅值獨立調(diào)控開展研究，進一步提升其實用價值。