X及Ku波段寬帶極化轉換超表面設計及RCS縮減應用

摘 要：針對反高分辨率雷達探測的電磁隱身問題，本文設計了一種作用于X和Ku波段的寬帶反射型極化轉換超表面，能夠在6.5～8GHz范圍內實現85%以上的極化轉換效率，在8～20GHz范圍內實現90%以上的極化轉換效率，極化轉換效率在85%以上的相對帶寬達到了101%，且超表面剖面較低，整體厚度小于3.6mm，并將其自身和鏡像單元設計成了方形式和三角式棋盤陣列排布結構。在x極化和y極化電磁波垂直入射下，與同等大小金屬相比，兩種棋盤式陣列排布結構的雷達截面積（RCS）縮減效果明顯，且具有極化不敏感的特性，其中方形式棋盤結構RCS縮減峰值達到了22.91dB，RCS減縮均值達到了11.73dB；三角式棋盤結構RCS縮減峰值達到了36.07dB，RCS減縮均值達到了12.29dB，起到了大幅度降低單站RCS提升電磁隱身性能的作用。

關鍵詞：極化轉換超表面； 雷達截面積； 極化轉換效率； 人工磁導體； 棋盤式排布

中圖分類號：TN015 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.02.012

近年來，電磁超表面因其具備的獨特電磁特性及其人為可設計性成了研究的熱點方向。電磁超表面通常由特殊的金屬形狀排布成周期或非周期的形式構成，多采用二維平面結構形式，其具備自然材料不具備的諸多電磁特性，其單元結構和單元間排布方式決定了其具有較大的設計空間，與電磁波作用后可發生諸多奇異的電磁現象。目前，針對超表面電磁調控的研究包含電磁波幅度的調控、電磁波相位/波前的調控和電磁波極化方式/方向的調控等。目前常見的電磁超表面包含頻率選擇表面、超材料吸波體、極化轉換表面和相位梯度表面等。各類超表面蘊含的設計機理各不相同。由于電磁超表面具有較強的人工可設計性，其在電磁隱身領域也成了熱點研究方向，其核心問題在于研究目標的雷達截面積（RCS）。RCS并不真實存在，它表征一個等效面積的概念，即當目標被電磁波照射時，目標向單位立體角范圍內散射的電磁功率與其所獲得的功率密度之比。RCS有單站和雙站之分，當探測雷達的發射和接收天線處在同一位置時測得的RCS為單站RCS，當探測雷達的發射和接收天線處在不同位置時測得的RCS為雙站RCS，RCS的高低直接決定了隱身性能的優劣，進而影響飛機的生存力。另外，在雷達探測領域，由于X和Ku波段具有較高的成像分辨率，同時能夠兼顧較大的探測距離、低衰減等因素，因此經常作為重要的雷達探測頻點，所以從反偵察、反鎖定的角度而言，X和Ku波段的隱身就成了重中之重。因此，電磁超表面由于其具備的電磁場調控能力在RCS減縮領域逐步嶄露頭角。

早期基于相位相消原理的人工磁導體（AMC）棋盤結構引起了學者們的極大關注，其能夠通過AMC和完美電導體（PEC）的結合，在反射波之間產生180°相位差，排列成棋盤式結構時，反射波電場分量相消干涉，從而降低后向散射RCS[1-5]。后來研究發現對于PEC材料，其反射相位能夠保持在穩定的數值，但AMC單元的反射相位隨頻率變化較大，通常僅在很窄的頻帶內可以保持接近180°的相位差，這就限制了AMC棋盤結構在RCS減縮方面的應用，后來學者利用兩種類型組合的AMC來替換 AMC與PEC的組合結構，兩種AMC的相頻特性均隨著頻率變化，且通過人工設計可以使二者在一定寬帶條件下的變化趨勢接近，相位差保持在180°左右，再將兩種AMC排列成棋盤式結構，能夠在一定帶寬條件下使反射波發生相位相消，拓展RCS減縮的帶寬。其缺點是實現RCS的減縮需要設計兩種類型的超表面單元，“相位差數值穩定”“相頻特性變化趨勢一致”等設計目標難度較高，工作量大，結構形式復雜。

近年來，極化轉換超表面（PCM）進入了諸多學者的視野，它是一種改變電磁波極化方式、極化方向的超表面，主要包含“線—線”極化轉換、“線—圓”極化轉換及圓極化波“旋向”轉換等方面。依據具體的結構形式，PCM超表面包含透射型和反射型，透射型一般相對帶寬較窄，反射型作用頻帶較寬。在隱身領域的應用方面，極化轉換超表面與人工磁導體（AMC）一直是重點研究的對象，與AMC不同，極化轉換超表面僅需一種單元即可實現180°相位差，其單元自身與鏡像單元天然形成180°相位差，且反射型極化轉換超表面能夠保證較寬的工作頻帶，因此就保證了寬帶的近180°相位差，解決了AMC超表面的設計痛點。因此，將PMC與其鏡像單元進行棋盤式排布，能夠獲得寬帶的RCS減縮效果。基于極化轉換超表面的科研成果層出不窮。2015年，東南大學Gao Xi等[6]提出了一種雙V結構形式的“線—線”極化轉換超表面，在12～27GHz頻率范圍內取得了90%的極化轉換效率，且結構形式簡單易于實現；2016年，西安電子科技大學Liu Ying等[7]提出一種類“魚骨”式的極化轉換超表面，并在天線的RCS減縮方面進行了應用，取得了較好的效果；2021年，潘晨清等[8]提出了一種開孔式方型貼片極化轉換超表面，其極化轉換的-5dB帶寬為7.6～ 21.4GHz；重慶郵電大學汪竹等[9]提出了一種H開口環疊加橢圓金屬片式極化轉換超表面，在10～22GHz頻帶內實現了95%的極化轉換效率；國外學者M. S. Ibrahim[10]提出了一種“多線條”形式的極化轉換超表面，在15～52GHz范圍內實現了接近100%的極化轉換效率。

本文依據極化轉換原理設計了一種寬帶高效的極化轉換超表面單元，聚焦于雷達探測的關鍵頻段（X和Ku波段），并通過棋盤式陣列排布設計將單元組成陣列應用于雷達隱身領域，達到降低單站RCS的目的。

1 極化轉換超表面設計

1.1 極化轉換超表面單元設計

設計的極化轉換超表面單元采用三層結構形式，由上層金屬貼片、介質基板以及金屬反射板組成。上層金屬貼片包含外層開口圓環、內層圓環及中間連接線框，其材質為銅，為了保證其對x極化和y極化波具有相同的反射特性，單元分布沿45°方向鏡像對稱，厚度為0.017mm，單元的長和寬均為7.4mm，外層開口圓環的外徑為3.2mm、寬度為 0.25mm，圓環開口張角為29.25°，內層圓環外徑為1.35mm、寬度為0.26mm，連接內外圓環的金屬線條寬度為0.25mm；中間材料為介質基板，采用Rogers RT/duroid 5880（tm），其介電常數實部2.2，損耗角正切為0.0009，板材厚度為3.52mm；最底層為金屬反射板，實現電磁波的全反射，材質為銅，厚度為0.017mm。其結構示意圖如圖1所示。

對設計的超表面單元進行仿真計算，得到其線極化波入射下的共極化反射系數和交叉極化反射系數如圖2所示。由圖2可以看出，該單元在8～20GHz范圍內共極化反射系數低于-10dB，在6.5～8GHz范圍內共極化反射系數低于-8.5dB，有較好的極化轉換效果，該超表面在6.6GHz、9.1GHz、14.3GHz和19.2GHz附近實現了諧振，諧振點處共極化分量幾乎被全部偏轉至交叉極化方向，此時共極化分量最小，交叉極化分量最大，實現了理想的極化轉換。

1.2 極化轉換超表面原理分析

單元設計采用對稱式結構，即單元沿著y=x直線（與x軸成45°夾角）成鏡像對稱方式，這里定義uv坐標系，u軸與v軸分別與x軸、y軸成45°夾角，這里對u極化和v極化電磁波入射下單元的反射幅度和相位進行了仿真，從中可以發現，在6.5～20GHz的工作頻帶內，在入射波分別為u極化和v極化的情況下，二者反射系數幅度幾乎相等，頻帶內大部分范圍近于0，最小值也大于-0.1dB；二者頻帶內的反射相位具有較好的線性度，相位隨頻率變化的趨勢高度一致，且二者反射相位差保持在180°左右，這樣能夠確保該極化轉換超表面在很寬的頻率范圍內實現較高的極化轉換效率，如圖4、圖5所示。

那么當電磁波為x或y極化入射時，入射場可以分解為沿u、v方向幅度和相位相同的兩個分量，經超表面反射后，原本同相位的兩個分量變為相位差180°左右，并且反射幅度保持一致，此時沿xy坐標系疊加反射場矢量，可以發現同極化反射波分量發生相位相消最終被削弱，而交叉極化反射波分量產生同相疊加最終獲得了增強，最終疊加形成的反射波由交叉極化分量主導，即由原本的x（y）極化變成了y（x）極化，從而實現了高效率的極化轉換，原理示意如圖6所示。圖6中以入射波x極化為例，首先將入射波電場矢量Ei沿u、v方向分解為Eiu和Eiv分量，入射到超表面經反射后，這里假設u方向反射相位與入射相位反向，如圖6中Eru線條所示，由于u方向和v方向的反射相位差180°，因此v方向反射相位與入射相位相同，如圖6中Erv線條所示，Eru和Erv電場疊加后最終形成的反射電場Er沿y方向振蕩，因此發生了交叉極化。

需要特殊說明的是，當電場分量不在xy軸系上時，可以按照圖6的方式依據矢量圖解法推理，超表面單元的Er極化方向會與xy坐標軸成一定夾角，且Er與Ei會沿45°或-45°直線成軸對稱，同樣發生了極化方向的轉換。

對于交叉極化分量，采用相位相消的方式相互抵消其電場分量，大體上采用0、π交替分布式的排列結構，相鄰單元相位差均保持在180°左右，其中0相位單元由PCM單元自身實現，π相位單元由PCM單元的鏡像單元實現，那么對于入射的線極化波，經過PCM超表面及其鏡像單元反射后，作用頻帶內大部分電場轉化為交叉極化分量，二者的交叉極化分量反相，互相抵消，進而RCS獲得了顯著降低。

對于電場極化方向與xy坐標系成一定夾角的情況，依據矢量圖解法可以推斷，PCM單元自身和其鏡像單元的Er矢量依舊保持共線的關系，即沿著與xy坐標系成一定夾角的直線，且相位差保持在180°，棋盤式排布同樣可以相位相消降低電場幅度，從而減縮陣列的RCS。

2.1 方形棋盤式排布

方形棋盤式排布是指采用類似平面陣列差波束的形式，將平面區域沿著正交的坐標軸分割成正方形子陣，再將超表面和其鏡像單元交叉排布，頂點相對的區域采用相同的單元，陣面上單元沿著經過陣列中心的兩條對角線成軸對稱形式。這里選取16×16的平面陣列，具體如圖7所示。整體陣面尺寸為118.4mm×118.4mm。

2.2 三角棋盤式排布

三角棋盤式排布是指采用與坐標軸成±45°的兩條對角線，將平面區域分為4個子陣，每個子陣的輪廓均為三角形，將超表面和其鏡像單元沿子陣分界線交替排布，頂點相對的區域采用相同的單元，邊線相鄰的區域采用不同的單元。這里選取16×16的平面陣列，具體如圖8所示。整體陣面尺寸為118.4mm×118.4mm。

3 性能驗證與對比

對設計的方形棋盤式和三角棋盤式超表面陣列結構進行RCS仿真計算，同時以同尺寸金屬平板作為對比對象，觀察RCS減縮效果。仿真入射平面波頻率范圍為6.5～ 20GHz，入射角為0°（垂直超表面法向），極化狀態包含x極化與y極化。圖9和圖10分別列出了x極化與y極化下金屬平板、方形棋盤式和三角棋盤式排布的單站RCS曲線，可以看到，設計的兩種棋盤結構在x極化和y極化電磁波入射下各頻點RCS數值非常接近，具有極化不敏感的特性，兩種棋盤結構相較于金屬平板在頻帶內均獲得了較大的RCS縮減。

圖11所示為RCS縮減值曲線對比。由圖11可以發現，三角棋盤式的RCS縮減效果整體優于方形棋盤式，三角棋盤式在9.25GHz實現了最大36dB的RCS縮減，在6.5～ 20GHz范圍內RCS減縮均值達到了12.2dB以上；方形棋盤式在15.55GHz實現了最大22dB的RCS縮減，在6.5～ 20GHz范圍內RCS減縮均值達到了11.7dB以上。兩種棋盤式結構在寬帶內的RCS縮減值統計見表1。

4 結論

本文提出的極化轉換超表面在X和Ku波段均實現了較高的極化轉換效率，在8～20GHz頻率范圍內具有90%以上的極化轉換效率，在6.5～8GHz頻率范圍內具有85%的極化轉換效率，PCR大于90%的相對帶寬為85%，PCR大于85%的相對帶寬為101%，并利用單元自身和其鏡像單元組成方形式、三角式棋盤陣列結構，實現了在6.5～20GHz頻率范圍內寬帶RCS縮減，縮減均值達到了11dB以上，單元自身和設計的棋盤式陣列均具有極化不敏感的特性，能夠應用于多極化狀態的寬帶RCS縮減場景。

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Design of Broadband Polarization Conversion Metasurface for X and Ku Bands and RCS Reduction Applications

Zhao Yitong， Wang Ganglin， Tang Xingzhong， Li Yan Chinese Aeronautical Establishment， Beijing 100029，China

Abstract： For anti-detection of high-resolution radar and electromagnetic stealth issues， a broadband reflective polarization conversion metasurface is designed for X and Ku bands， which can achieve more than 85% polarization conversion efficiency in the range of 6.5～8GHz and more than 90% polarization conversion efficiency in the range of 8～20GHz， and the relative bandwidth of polarization conversion efficiency above 85% is 101%， and the thickness of metasurface structure is less than 3.6mm. Square and triangle chessboard structures are designed based on this metasurface，the radar scattering cross section of both chessboard structures has been greatly reduced under vertical incidence of x-polarized and y-polarized electromagnetic waves compared with the same size metal. Both have polarization insensitive characteristics， in which the maximum RCS reduction of square chessboard structure reaches 22.91dB， and the average RCS reduction of square chessboard structure reaches 11.73dB. The maximum RCS reduction of triangle chessboard structure reaches 36.07dB， and the average RCS reduction of triangle chessboard structure reaches 12.29dB， playing a significant role in reducing the single station RCS and improving electromagnetic stealth performance.

Key Words： polarization conversion metasurface； RCS； polarization conversion ratio； artificial magnetic conductor； chessboard structures