一种超宽带雷达散射截面减缩的超表面设计

郑秋容 余建辉 李勇军 赵尚弘 赵维维

摘  要： 提出一种具有超宽带雷达散射截面（RCS）减缩特性的超表面（MS）。该MS结构由聚四氟乙烯（Polytef）介质层、空气层和金属地板组成，同时在Polytef介质层的两侧刻蚀金属图案。为了拓展RCS，减缩带宽，设计两种几何结构相似但是工作在不同频段的宽带双频单元，两种单元的有效相位差区域得到极大拓展。采用经典的棋盘方式进行布阵，实现了超宽频带的RCS减缩。仿真和实验结果表明，与等尺寸金属平板相比，该MS在3.0～20.0 GHz的频带范围，后向RCS均有减缩，其中在5.3～17.7 GHz（107.8%）的范围，后向RCS减缩基本都在10 dB以上，证实了MS的超宽带RCS减缩特性。

关键词： 超表面设计; 雷达散射截面; 超宽带RCS减缩; 零反射相位; 带宽拓展; 人工磁导体; 布阵方式

中图分类号： TN95?34                          文献标识码： A                           文章编号： 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

近年来，作为超材料（Metamaterial，MTM）的二维结构，超表面（Metasurface，MS）由于具有厚度薄、重量轻、成本低、易与电路集成且加工维护方便等优点逐渐发展成为MTM研究的重点。MS同样具有调控电磁波幅度、相位、极化、传播方式等特性[1?6]。从已有研究成果发现，目前利用MS减缩雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）的方法有很多，其中比较典型的一种是利用反射型MS的同相反射特性[7?9]，通过相位对消布阵将威胁空域的雷达波散射到其他空域，从而实现后向的RCS减缩。

2007年，Paquay教授提出利用人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）与理想电导体构造反射型MS，将两者按照棋盘形式排布，利用其反射电磁波相位相差180°的特点，根据相位对消原理，使后向RCS显著降低[10]。然而由于AMC的同相反射带宽有限，制约着这种MS的RCS的减缩带宽。为了拓展RCS减缩带宽，研究人员进行了很多工作。比如，进一步拓展AMC的工作带宽[11]，但是这种方法在RCS减缩带宽拓展上仍然有限;另一种方法是将理想电导体用其他不同工作频段的AMC结构替换，采用两种甚至多种AMC复合。这种方法可有效地拓展RCS减缩带宽。宽带与宽带AMC结构复合[12]、宽带与双频带AMC结构复合[13?14]、双频带与双频带AMC结构复合[15]等方法相继被提出，使得RCS减缩带宽得到极大拓展。由此可知，继续拓展此类超表面的RCS减缩带宽仍是科研人员研究的重点，而且在已有的优秀成果中，RCS减缩带宽覆盖低频段（5.0 GHz以下）的研究相对较少。

因此，本文開展了向低频拓展RCS减缩带宽的研究。结合前人的研究成果，本文提出采用两种几何结构相似但是工作在不同频段的宽带双频单元，有效拓展了有效反射相位差区域，通过典型的棋盘布阵构成反射型MS，该MS在3.0～20.0 GHz频带范围均有RCS减缩，其中在5.3～17.7 GHz （107.8%）RCS减缩量基本都在10 dB以上，实现了覆盖低频的超宽带RCS减缩。

1  宽带双频MS单元设计

图1给出了所设计的宽带双频MS单元的结构示意图，整个MS由几何结构相似的两种MS单元组成，定义尺寸大的单元为[E1]，另一个为[E2]。以[E1]为例，其自上而下，总共有五层，其中有两层介质层，分别为Polytef介质层（介电常数为2.65，介质损耗为0.002）和空气介质层。在Polytef介质层两侧均刻蚀图案，其中上层是多方贴片复合结构，下层是方贴片结构。在空气层下方是金属接地板，保证全反射。为获得理想的宽带双频特性，利用HFSS软件中的主从边界和Floquet端口进行仿真建模，对所有参数进行优化，如表1所示。

图1  两种MS单元结构示意图

优化后的反射幅度和反射相位曲线如图2所示。从图中可以看出，在3.0～20.0 GHz的频带范围，E1和E2的反射幅度均在0.994以上，且单元E1和E2均具有宽带双频特性。其中，E1的零反射相位出现在4.11 GHz和12.63 GHz处，E2的反射曲线在7.04 GHz和18.73 GHz处过零点，且E1（E2）的反射相位曲线反转频点和E2（E1）的零反射相位频点非常接近。E1和E2的反射相位差曲线如图3所示，图中的阴影部分为有效相位差区域（180°±30°的角度范围）。从图中可以看出，在4.5～17.3 GHz的频带范围，E1和E2反射相位差基本处于180°±30°内。其中，在4.8 GHz，7.1 GHz，12.0 GHz和16.4 GHz四个频点处，反射相位差为180°。虽然在8.4～10.6 GHz频带范围反射相位差超出了180°±30°，但是超出的幅度不大，仍然有望实现超宽带的RCS减缩。

表1  优化的MS单元参数

图2  两种MS单元的反射幅度和反射相位

图3  两种MS单元的反射相位差

2  超宽带RCS减缩的超表面设计

为了验证MS的散射特性，构建棋盘阵列。参照文献[12?15]，该棋盘MS由2×2的E1块和E2块组成，每个E1块和E2块又由6×6的E1单元和E2单元构成，如图4所示。

图4  MS结构示意图

为了验证上述理论分析，研究了在垂直入射下MS的单站RCS特性。如图5所示，与同尺寸金属板相比，在3.0～20.0 GHz的频率范围有明显的RCS减缩，其中在4.9～17.3 GHz的范围，RCS减缩基本在10 dB以上，相对带宽达到了111.7%。10 dB的RCS减缩频带范围与MS单元的有效反射相位差区域的频带范围基本吻合。在5.1 GHz，7.2 GHz，11.6 GHz和16.4 GHz出现了RCS减缩峰值，与180°的反射相位差所对应的频点也基本一致，其中的误差可能是由于[E1]块或者[E2]块是由有限数量单元组成的，而反射相位仿真是基于无限多个单元。以上结果验证了通过有效反射相位差可推算10 dB的RCS减缩频带范围。

图5  RCS减缩曲线

图6给出了在11.6 GHz（其中一个RCS减缩峰值）处的3D散射方向图，从图中可以看出，与金属相比，后向强反射能量被散射到四个象限的对角线方向，即[φ]为45°，135°，225°和315°。这与式（3）的反射能量峰值计算结果是一致的。

图6  11.6 GHz处3D的散射方向图

图7给出了[φ=]45°平面的2D散射方向图，从图中可以看出，在11.6 GHz处从?10°～10°的角域范围出现了RCS减缩，其中在[θ=]0°时，RCS减缩量最大。在[θ=]±15°时，出现了两个强散射峰值，这与式（4）计算的[θ=][±14.7°]理论值也是比较吻合的。

图7  11.6 GHz处2D的散射方向图

3  超表面的加工和测试

为了进一步验证MS的RCS减缩特性，加工制作了MS实物，如图8所示，其整体尺寸为270 mm×270 mm×3 mm，其四周和中间采用尼龙螺丝固定，使其与地板隔开，产生空气介质层。在微波暗室中进行测试，待测的MS实物垂直放置于泡沫台上，使用两个水平极化的宽带喇叭天线作为收发装置，将天线连接到矢量网络分析仪，评估MS的散射特性。

图8  实物MS和测试装置图

由于喇叭天线工作频带的限制，仅测试了3.0～18.0 GHz频段的MS反射率曲线，并与仿真结果进行了对比，如图9所示。从图中可以看出，实测与仿真基本吻合，实测结果略向高频偏移，这可能是由于在实际测试中，喇叭天线与待测MS之间存在小角度造成的。实测结果表明，与同尺寸金属平板相比，MS在3.0～20.0 GHz的频段范围内RCS均有减缩，在16.4 GHz处最大减缩量达到41.9 dB。在5.3～17.7 GHz（107.8%）的频率范围，除部分频点，MS均有10 dB以上的RCS减缩。实测结果验证了该MS设计的有效性。

图9  实测结果与仿真结果对比

4  结  论

本文设计并制作了一种超宽带RCS减缩的超表面，通过设计两种宽带双频MS单元，实现了在超宽频带范围保持有效的相位差，采用经典的棋盘布阵，组成了具有覆盖低频的超宽带RCS减缩的MS。实测结果表明，与同尺寸金属平板相比，MS在3.0～20.0 GHz的频段范围内RCS均有减缩，在16.4 GHz处最大减缩量达到41.9 dB。在5.3～17.7 GHz（107.8%）的频率范围，除部分频点，MS均有10 dB以上的RCS减缩。实测结果与仿真结果基本吻合。本文的研究，对于进一步提高MS的RCS减缩带宽具有一定的借鉴作用。

参考文献

[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，王鲜，等.双频带相位梯度超表面设计与RCS縮减验证[J].微波学报，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] 郑月军，高军，曹祥玉，等.覆盖X和Ku波段的低雷达散射截面人工磁导体反射屏[J].物理学报，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.