基于極化轉化超表面的雷達散射截面減縮*

商婷婷，趙 敏，趙建平，徐 娟

（曲阜師范大學，山東 曲阜 273165）

0 引言

雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）的縮減，可以通過將后向散射波漫反射重新定向到不同的方向來獲得。2007 年，Paquay 等人提出了一種新的方法，使用以棋盤狀形式形成的完美電導體（Perfect Electric Conductor，PEC）和人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）單元的組合來減少RCS[1]。該方法中，由于AMC 和PEC 單元的相位抵消特性，有效降低了后向散射能量被。為了提高PEC 單元的帶寬，將其中的一個單元用另一個AMC 單元取代。具有不同諧振頻率的兩個AMC單元的組合導致在寬帶中產生180°相位差，從而增加帶寬，降低RCS[2-3]。雖然以上方法可以有效使目標RCS 降低并提高帶寬，但結構更加復雜。。

目前，縮減RCS 的有效技術是利用電磁波的極化特性，通過交叉極化轉換產生相位差，實現散射分量相消[4]。本文設計了一款高性能極化轉化超表面單元，通過單元與鏡像單元實現交叉極化分量相消，利用不同尺寸的極化轉化單元實現共極化分量相消，且采用交叉式排列更有效地縮減了RCS。

1 極化轉化超表面的基本理論

將x、y直角坐標系沿逆時針方向旋轉135°得到u、v直角坐標系，極化轉化超表面的工作原理將以u、v直角坐標系為例進行闡明。假設以沿-z方向傳播的x極化入射波為例，當入射波垂直入射到超表面單元的結構層時，入射波電場將分別沿u、v軸作正交分解。入射電場為：

入射電磁波經極化轉化超表面反射后，反射電場為：

引入反射系數，則反射電場為：

在不考慮入射波被吸收或者被損耗的情況下，由于金屬地板的全反射特性，可近似認為反射系數的絕對值等于1。由于各向異性作用，當超表面單元結構發生磁諧振時，材料的磁導率μ將趨于無窮大，介電常數ε基本保持不變，則材料表面的阻抗將無窮大，超表面單元結構可以等效為高阻抗表面，反射相位為0°。但是，這種情況存在一定的理想性，材料的磁導率并不會變化很大。由于金屬地板的全反射特性，因此反射相位為180°，之間的相位差也就是180°[6-7]。當電磁波分別以u極化和v極化方式入射時，反射電場的方向將沿y軸方向，實現了x極化入射波轉為y 極化反射波。

2 單元設計

基于上述極化轉化超表面的基本理論，提出了一款極化轉化超表面單元如圖1 所示。單元結構包括3 層，由下到上依次為金屬地板、介質基板和結構層，具體參數如表1 所示。介質板采用Rogers 5880 的基板，相對介電常數為2.2，損耗正切角為0.000 9。單元通過改變角度theta的大小，得到兩種極化轉化超表面單元（單元1、單元2）。將這兩種單元分別進行鏡像操作，可以得到對應的鏡像單元。圖2 為極化轉化單元的鏡像單元。

圖1 極化轉化超表面單元

表1 極化轉化超表面單元的具體參數

圖2 極化轉化超表面鏡像單元

為了分析極化轉化單元的散射特性，通過商業仿真軟件HFSS13 對單元進行仿真與優化。以theta=70°的極化轉化單元1 為例，當垂直入射的平面波p沿x方向極化時，根據極化轉換的原理，散射波會被轉換到y方向極化。定義極化轉換率（Polarization Conversion Rate，PCR）為[8]：

由于基本單元和其鏡像單元具有相同的極化轉化率，因此圖3 給出了極化轉化超表面單元1 和單元2 的極化轉化率曲線。

圖3 極化轉化超表面單元結構的極化轉化率

圖4 給出了基本單元和其鏡像單元的交叉極化散射分量相位之間的關系。單元1 和單元2 分別和它們的鏡像單元在整個頻段內交叉極化散射分量相位差始終為180°，實現交叉極化散射分量相消。

圖4 交叉極化散射分量相位差

圖5 則給出了極化轉化超表面單元1 和單元2之間的共極化反射相位之間的關系。在12.5～19.5 GHz 范圍內，單元之間的共極化反射相位差保持在180°，實現單元之間共極化散射分量反向相消。

圖5 共極化反射相位差

3 超表面陣列排布

3.1 棋盤式排列

基于上述極化轉化單元的特性，將兩種尺寸的單元構成了傳統的棋盤式排列。圖6 采用了12×12的極化轉化單元來構造超表面陣列。

圖6 極化轉化超表面棋盤式排列結構

采用等大的普通金屬板與棋盤式排列進行對比RCS 縮減，如圖7 所示。在5～25 GHz 頻段內，棋盤式排列的RCS 值要明顯低于普通金屬板的RCS 值。

圖7 在5～25 GHz 頻段內的RCS 特性

在諧振頻率15 GHz、phi=0°處，圖8 為棋盤式排列超表面將垂直方向散射波束分為了兩束波束。

圖8 在頻率為15 GHz、phi=0°處RCS 特性

為了更直觀地觀察超表面的散射能量分布情況，圖9 給出了金屬板和棋盤式排列在諧振頻率15 GHz處的3D 散射特性圖。可以看到，RCS 在垂直方向有顯著減縮。同時，伴隨著兩束傾斜波束的出現，垂直方向的RCS 縮減是基于能量重新輻射到其他方向。

圖9 入射波垂直照射下，在15 GHz 處的3-D 散射場

3.2 交叉式排列

通過對傳統的棋盤式排列的超表面仿真分析，發現每個單元的排列數量會影響RCS 的縮減情況。將原來每種單元6×6 排列減少到4×4，為了能與傳統的棋盤式排列的超表面進行對比，保持口徑大小不變，單元的排列按照上述分析的極化轉化單元特性進行分布排列。圖10 是進行重新排列后的超表面交叉式排列結構。

采用同口徑的棋盤式排列與交叉式排列進行對比RCS 縮減，如圖11 所示。在5～25 GHz 頻段內，兩種排列方式的RCS 縮減情況基本保持一致。如圖12 所示，在諧振頻率15 GHz、phi=0°處，交叉式排列超表面的RCS 值要明顯低于棋盤式排列超表面的RCS 值，大約降低了5 dB。為了更直觀地觀察交叉式排列超表面的散射能量分布和RCS 縮減的情況，圖13 給出了交叉式排列和棋盤式排列在頻率為15 GHz 處的3D 散射特性圖。從圖13 可以看到，RCS 在垂直方向有顯著減縮，同時伴隨著多個波束的出現。也就是說，垂直方向附近的RCS 值縮減是基于能量重新輻射到其他方向。

圖10 極化轉化超表面交叉式排列結構

圖11 在5～25 GHz 頻段內的RCS 特性

圖12 在頻率為15 GHz 處RCS 特性（phi=0°）

圖13 入射波垂直照射下，在15 GHz 處的3-D 散射場

4 結語

本文設計了一款極化轉化超表面單元。通過極化轉化單元與其鏡像單元交叉極化相位差為180°，實現了交叉極化分量相消；利用不同尺寸的極化轉化單元存在共極化相位差為180°，實現了共極化分量相消。仿真結果表明，將極化轉化單元和其鏡像單元采用交叉式排列，后向散射波可被分為多個波束，也就是將垂直方向的能量盡可能重新輻射到其他方向，實現后向RCS 的縮減。