一種超寬帶雷達散射截面減縮的超表面設計

鄭秋容 余建輝 李勇軍 趙尚弘 趙維維

摘 ?要： 提出一種具有超寬帶雷達散射截面（RCS）減縮特性的超表面（MS）。該MS結構由聚四氟乙烯（Polytef）介質層、空氣層和金屬地板組成，同時在Polytef介質層的兩側刻蝕金屬圖案。為了拓展RCS，減縮帶寬，設計兩種幾何結構相似但是工作在不同頻段的寬帶雙頻單元，兩種單元的有效相位差區(qū)域得到極大拓展。采用經典的棋盤方式進行布陣，實現(xiàn)了超寬頻帶的RCS減縮。仿真和實驗結果表明，與等尺寸金屬平板相比，該MS在3.0～20.0 GHz的頻帶范圍，后向RCS均有減縮，其中在5.3～17.7 GHz（107.8%）的范圍，后向RCS減縮基本都在10 dB以上，證實了MS的超寬帶RCS減縮特性。

關鍵詞： 超表面設計; 雷達散射截面; 超寬帶RCS減縮; 零反射相位; 帶寬拓展; 人工磁導體; 布陣方式

中圖分類號： TN95?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）13?0005?04

Design of a metasurface with ultra?wideband radar cross section reduction

ZHENG Qiurong1， YU Jianhui2， LI Yongjun1， ZHAO Shanghong1， ZHAO Weiwei1

（1. School of Information and Navigation， Air Force Engineering University， Xian 710077， China;

2. Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract： A metasurface （MS） with ultra?wideband radar cross section （RCS） reduction feature is proposed. The MS structure is composed of polytef dielectric layer， air layer and metallic substrate， in which the metal patterns are etched on both sides of the polytef dielectric layer. In order to broaden the RCS reduction bandwidth of MS， two dual?band MS units with similar geometry but working in different bands are designed， which can expand the effective phase difference area of two units. The classical chessboard mode is used for configuration to realize the ultra?wideband RCS reduction. The simulation and experimental results show that， in comparison with the same?size metallic plane， the backward RCSs are reduced while MS is within 3.0～20.0 GHz. The RCS reduction is more than 10 dB while MS is within 5.3～17.7 GHz （107.8%）. The ultra?wideband RCS reduction performance of MS is verified with the above results.

Keywords： metasurface design; radar cross section; ultra?wideband RCS reduction; zero reflective phase; ?bandwidth expansion; artificial magnetic conductor; configuration mode

0 ?引 ?言

近年來，作為超材料（Metamaterial，MTM）的二維結構，超表面（Metasurface，MS）由于具有厚度薄、重量輕、成本低、易與電路集成且加工維護方便等優(yōu)點逐漸發(fā)展成為MTM研究的重點。MS同樣具有調控電磁波幅度、相位、極化、傳播方式等特性[1?6]。從已有研究成果發(fā)現(xiàn)，目前利用MS減縮雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）的方法有很多，其中比較典型的一種是利用反射型MS的同相反射特性[7?9]，通過相位對消布陣將威脅空域的雷達波散射到其他空域，從而實現(xiàn)后向的RCS減縮。

2007年，Paquay教授提出利用人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）與理想電導體構造反射型MS，將兩者按照棋盤形式排布，利用其反射電磁波相位相差180°的特點，根據(jù)相位對消原理，使后向RCS顯著降低[10]。然而由于AMC的同相反射帶寬有限，制約著這種MS的RCS的減縮帶寬。為了拓展RCS減縮帶寬，研究人員進行了很多工作。比如，進一步拓展AMC的工作帶寬[11]，但是這種方法在RCS減縮帶寬拓展上仍然有限;另一種方法是將理想電導體用其他不同工作頻段的AMC結構替換，采用兩種甚至多種AMC復合。這種方法可有效地拓展RCS減縮帶寬。寬帶與寬帶AMC結構復合[12]、寬帶與雙頻帶AMC結構復合[13?14]、雙頻帶與雙頻帶AMC結構復合[15]等方法相繼被提出，使得RCS減縮帶寬得到極大拓展。由此可知，繼續(xù)拓展此類超表面的RCS減縮帶寬仍是科研人員研究的重點，而且在已有的優(yōu)秀成果中，RCS減縮帶寬覆蓋低頻段（5.0 GHz以下）的研究相對較少。

因此，本文開展了向低頻拓展RCS減縮帶寬的研究。結合前人的研究成果，本文提出采用兩種幾何結構相似但是工作在不同頻段的寬帶雙頻單元，有效拓展了有效反射相位差區(qū)域，通過典型的棋盤布陣構成反射型MS，該MS在3.0～20.0 GHz頻帶范圍均有RCS減縮，其中在5.3～17.7 GHz （107.8%）RCS減縮量基本都在10 dB以上，實現(xiàn)了覆蓋低頻的超寬帶RCS減縮。

1 ?寬帶雙頻MS單元設計

圖1給出了所設計的寬帶雙頻MS單元的結構示意圖，整個MS由幾何結構相似的兩種MS單元組成，定義尺寸大的單元為[E1]，另一個為[E2]。以[E1]為例，其自上而下，總共有五層，其中有兩層介質層，分別為Polytef介質層（介電常數(shù)為2.65，介質損耗為0.002）和空氣介質層。在Polytef介質層兩側均刻蝕圖案，其中上層是多方貼片復合結構，下層是方貼片結構。在空氣層下方是金屬接地板，保證全反射。為獲得理想的寬帶雙頻特性，利用HFSS軟件中的主從邊界和Floquet端口進行仿真建模，對所有參數(shù)進行優(yōu)化，如表1所示。

圖1 ?兩種MS單元結構示意圖

優(yōu)化后的反射幅度和反射相位曲線如圖2所示。從圖中可以看出，在3.0～20.0 GHz的頻帶范圍，E1和E2的反射幅度均在0.994以上，且單元E1和E2均具有寬帶雙頻特性。其中，E1的零反射相位出現(xiàn)在4.11 GHz和12.63 GHz處，E2的反射曲線在7.04 GHz和18.73 GHz處過零點，且E1（E2）的反射相位曲線反轉頻點和E2（E1）的零反射相位頻點非常接近。E1和E2的反射相位差曲線如圖3所示，圖中的陰影部分為有效相位差區(qū)域（180°±30°的角度范圍）。從圖中可以看出，在4.5～17.3 GHz的頻帶范圍，E1和E2反射相位差基本處于180°±30°內。其中，在4.8 GHz，7.1 GHz，12.0 GHz和16.4 GHz四個頻點處，反射相位差為180°。雖然在8.4～10.6 GHz頻帶范圍反射相位差超出了180°±30°，但是超出的幅度不大，仍然有望實現(xiàn)超寬帶的RCS減縮。

表1 ?優(yōu)化的MS單元參數(shù)

圖2 ?兩種MS單元的反射幅度和反射相位

圖3 ?兩種MS單元的反射相位差

2 ?超寬帶RCS減縮的超表面設計

為了驗證MS的散射特性，構建棋盤陣列。參照文獻[12?15]，該棋盤MS由2×2的E1塊和E2塊組成，每個E1塊和E2塊又由6×6的E1單元和E2單元構成，如圖4所示。

圖4 ?MS結構示意圖

為了驗證上述理論分析，研究了在垂直入射下MS的單站RCS特性。如圖5所示，與同尺寸金屬板相比，在3.0～20.0 GHz的頻率范圍有明顯的RCS減縮，其中在4.9～17.3 GHz的范圍，RCS減縮基本在10 dB以上，相對帶寬達到了111.7%。10 dB的RCS減縮頻帶范圍與MS單元的有效反射相位差區(qū)域的頻帶范圍基本吻合。在5.1 GHz，7.2 GHz，11.6 GHz和16.4 GHz出現(xiàn)了RCS減縮峰值，與180°的反射相位差所對應的頻點也基本一致，其中的誤差可能是由于[E1]塊或者[E2]塊是由有限數(shù)量單元組成的，而反射相位仿真是基于無限多個單元。以上結果驗證了通過有效反射相位差可推算10 dB的RCS減縮頻帶范圍。

圖5 ?RCS減縮曲線

圖6給出了在11.6 GHz（其中一個RCS減縮峰值）處的3D散射方向圖，從圖中可以看出，與金屬相比，后向強反射能量被散射到四個象限的對角線方向，即[φ]為45°，135°，225°和315°。這與式（3）的反射能量峰值計算結果是一致的。

圖6 ?11.6 GHz處3D的散射方向圖

圖7給出了[φ=]45°平面的2D散射方向圖，從圖中可以看出，在11.6 GHz處從?10°～10°的角域范圍出現(xiàn)了RCS減縮，其中在[θ=]0°時，RCS減縮量最大。在[θ=]±15°時，出現(xiàn)了兩個強散射峰值，這與式（4）計算的[θ=][±14.7°]理論值也是比較吻合的。

圖7 ?11.6 GHz處2D的散射方向圖

3 ?超表面的加工和測試

為了進一步驗證MS的RCS減縮特性，加工制作了MS實物，如圖8所示，其整體尺寸為270 mm×270 mm×3 mm，其四周和中間采用尼龍螺絲固定，使其與地板隔開，產生空氣介質層。在微波暗室中進行測試，待測的MS實物垂直放置于泡沫臺上，使用兩個水平極化的寬帶喇叭天線作為收發(fā)裝置，將天線連接到矢量網絡分析儀，評估MS的散射特性。

圖8 ?實物MS和測試裝置圖

由于喇叭天線工作頻帶的限制，僅測試了3.0～18.0 GHz頻段的MS反射率曲線，并與仿真結果進行了對比，如圖9所示。從圖中可以看出，實測與仿真基本吻合，實測結果略向高頻偏移，這可能是由于在實際測試中，喇叭天線與待測MS之間存在小角度造成的。實測結果表明，與同尺寸金屬平板相比，MS在3.0～20.0 GHz的頻段范圍內RCS均有減縮，在16.4 GHz處最大減縮量達到41.9 dB。在5.3～17.7 GHz（107.8%）的頻率范圍，除部分頻點，MS均有10 dB以上的RCS減縮。實測結果驗證了該MS設計的有效性。

圖9 ?實測結果與仿真結果對比

4 ?結 ?論

本文設計并制作了一種超寬帶RCS減縮的超表面，通過設計兩種寬帶雙頻MS單元，實現(xiàn)了在超寬頻帶范圍保持有效的相位差，采用經典的棋盤布陣，組成了具有覆蓋低頻的超寬帶RCS減縮的MS。實測結果表明，與同尺寸金屬平板相比，MS在3.0～20.0 GHz的頻段范圍內RCS均有減縮，在16.4 GHz處最大減縮量達到41.9 dB。在5.3～17.7 GHz（107.8%）的頻率范圍，除部分頻點，MS均有10 dB以上的RCS減縮。實測結果與仿真結果基本吻合。本文的研究，對于進一步提高MS的RCS減縮帶寬具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] LI S J， CAO X Y， GAO J， et al. Loaded metamaterial perfect absorber using substrate integrated cavity [J]. Journal of applied physics， 2014， 115（21）： 1?5.

[2] WANG H B， CHENG Y J. Frequency selective surface with miniaturized elements based on quarter?mode substrate integrated waveguide cavity with two poles [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2016， 64（3）： 914?922.

[3] GREGOIRE D J， WHITE C R， COLBURN J S. Wideband artificial magnetic conductors loaded with non?foster negative inductors [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2011， 10： 1586?1589.

[4] WAN X， JIANG W X， MA H F， et al. A broadband transformation?optics metasurface lens [J]. Applied physics letters， 2014， 104（15）： 1?4.

[5] GAO X， HAN X， CAO W P， et al. Ultra?wideband and high?efficiency linear polarization converter based on double V?shaped metasurface [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2015， 63（8）： 3522?3530.

[6] ZHANG L B， ZHOU P H， CHEN H Y， et al. Broadband and wide?angle reflective polarization converter based on metasurface at microwave frequencies [J]. Applied physics B， 2015， 120（4）： 617?622.

[7] CHEN W G， BALANIS C A， BIRTCHER C R. Checkerboard EBG surfaces for wideband radar cross section reduction [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2015， 63（6）： 2636?2645.

[8] ESMAELI S H， SEDIGHY S H. Wideband radar cross?section reduction by AMC [J]. Electronics letters， 2016， 52（1）： 70?71.

[9] 葛晨辰，程用志，王鮮，等.雙頻帶相位梯度超表面設計與RCS縮減驗證[J].微波學報，2017，33（1）：36?40.

GE Chenchen， CHENG Yongzhi， WANG Xian， et al. Design and radar cross section reduction experimental verification of a double band phase gradient meta?surface [J]. Journal of microwaves， 2017， 33（1）： 36?40.

[10] PAQUAY M， IRIARTE J C， EDERRA I， et al. Thin AMC structure for radar cross?section reduction [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2007， 55（12）： 3630?3638.

[11] SAADAT S， ADNAN M， MOSALLAEI H， et al. Composite metamaterial and metasurface integrated with non?foster active circuit elements： a bandwidth enhancement investigation [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2013， 61（3）： 1210?1218.

[12] MIGHANI M， DADASHZADEH G. Broadband RCS reduction using a novel double layer chessboard AMC surface [J]. Electronics letters， 2016， 52（14）： 1523?1524.

[13] 鄭月軍，高軍，曹祥玉，等.覆蓋X和Ku波段的低雷達散射截面人工磁導體反射屏[J].物理學報，2015（2）：1?7.

ZHENG Yuejun， GAO Jun， CAO Xiangyu， et al. A low radar cross?section artificial magnetic conductor reflection screen covering X and Ku band [J]. Acta physica sinica， 2015（2）： 1?7.

[14] ZHAO Y， CAO X Y， GAO J， et al， Broadband radar absor?bing material based on orthogonal arrangement of CSRR etched artificial magnetic conductor [J]. Microwave and optical technology letters， 2014， 56（1）： 158?161.

[15] GALARREGUI J C I， PEREDA A T， FALC?N J L M D， et al. Broadband radar cross?section reduction using AMC technology [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2013， 61（12）： 6136?6143.