一种双宽带雷达散射截面减缩的超表面设计方法

王维婧 史琰，2 孟赞奎 孟浩轩

（1. 西安电子科技大学电子工程学院，西安 710071；2. 人工智能与数字经济广东省实验室 智能超材料中心，广州 510330）

引 言

雷达目标的低可探测性对于隐身平台至关重要.为了避免被雷达探测发现，雷达散射截面(radar cross section, RCS)的减缩技术成为了国内外的研究热点之一. 目前为止，各种目标的RCS 减缩技术相继被提出[1-21]. 目标外形优化方法作为一种最常用的降低目标RCS 的方法，通过改变目标的外部形状，入射波能够被目标散射到除入射方向以外的其他方向上. 但目标外形的变化通常会引起其他性能的改变，如气动性能的恶化. 吸波材料是另一种常用于降低RCS的方法[1]，近年来基于超构材料的吸波结构能够实现近乎理想的吸波特性[2]. 通过合理的超构材料设计，使其等效阻抗近似等于自由空间的波阻抗，从而入射波能够无反射地进入到吸波结构中；同时吸波结构中的有耗电介质[3-4]、有耗磁介质[5-6]、阻抗型表面[7-8]和集总电阻[9-10]等损耗材料进一步将入射波的电磁能量消耗掉并转换为热. 吸波材料的使用对目标会造成一定的负面影响，如应用在天线的周围会造成其辐射性能的恶化.

近年来一些无耗的超表面结构被提出用于实现目标的RCS 减缩. 基于相位相消的原理，由两种相位近似相差180°的结构组成棋盘阵列可以实现后向散射波的抵消，例如电磁带隙结构(electromagnetic band gap, EBG)与理想导体构成的棋盘结构[11]，人工磁导体(artificial magnetic conductor, AMC)和理想导体构成的棋盘结构[12]，两种AMC 构成的棋盘结构[13-14]等.作为棋盘式结构的一种通用情况，具有合理排布0 单元和1 单元的1 比特超表面能够实现电磁波的漫散射特性，进而实现RCS 的减缩[15-16]. 此外，一些具有极化旋转特性的超表面也被提出用于目标的RCS 减缩[16-21]. 将极化旋转超表面旋转90°后所得的结构与原超表面结构之间具有180°的反射相位差，因此将极化旋转超表面旋转排布组阵就能够实现极化相消，从而达到低RCS 特性. 目前基于极化相消技术设计的超表面可以在某个较宽的频带内实现低RCS 的特性，但一旦超表面结构设计确定，其对应的减缩频带也相应地固定. 若要改变RCS 减缩的工作频带，需要对超表面结构进行重新的优化设计，因此设计的通用性大大受限.

频率选择表面(frequency selective surface, FSS)是一种由相同单元组成的二维阵列结构，可看作一种超表面结构[22-25]. 由于其具有高通、低通、带通和带阻等灵活的频率响应特性，已成为一个广泛研究的课题. 本文首次提出一种基于FSS 的双带极化旋转超表面设计方法，通过将低通的FSS 和两个极化旋转超表面阵列相集成，所得的阵列具有双带的极化旋转特性；进一步将得到的阵列进行旋转排布布阵，从而实现双带的低RCS 特性. 仿真与实测结果表明所设计的结构在6.6～12.7 GHz 和27.8～38.1 GHz两个频带实现了-10 dB 的RCS 减缩.

1 基于FSS 的超表面设计

1.1 极化旋转超表面设计

不失一般性，假设一个x极化的入射波照射到该阵列上，则入射电场Einc被分解为沿着φ=-45°和φ=45°两极化方向电场的叠加，即

根据式(3)可知：对于具有x极化的入射电场而言，反射电场的方向沿y方向；由于结构的对称性，y极化的入射波入射，可以得到x极化的散射波. 从而表明所设计的阵列具有极化旋转的特性.

图1 极化旋转超表面单元Fig. 1 Polarization conversion metasurface unit cell

图2 均匀平面波沿两个方向入射到无限大超表面阵列的S11Fig. 2 Incidence of the plane waves in 2 directions of S11 on the infinite periodic array

1.2 FSS 设计

文中设计了一个低通的FSS 来实现双带响应，如图3(a) 所示，FSS 单元是由两层等尺寸的金属贴片构成，一个空气层位于两层金属贴片之间. 利用等效电路的方法设计FSS 的低通响应，上层和下层的金属贴片等效为并联电容C1和C3，中间的空气层可以等效为一个并联的LC谐振器，即L和C2，FSS 结构的上半空间和下半空间可以用空间的特性阻抗Z01和Z02来表征. 由于上半空间和下半空间都为空气，所以Z01=Z02≈377 Ω. 整个FSS 结构的等效电路如图3(b)所示. 等效电路中的各个集总参量的初始值都能用解析公式[21]求得：

图3 低通FSS 结构Fig. 3 The low-pass FSS structure

式中：FSS 结构周期D=6 mm；每层中两个相邻贴片间距s=2 mm；空气层厚度h=3 mm. 将结构的几何参数代入式(4)～(6)来确定初始的等效电路集总参量，并利用ADS 软件进一步优化，即可获得等效电路中最终的参量值，如表1 所示. FSS 结构全波仿真和等效电路计算得到的S 参数对比结果如图4 所示，可以看出两者吻合良好，说明所提出的FSS 结构具有低通的频率响应.将低通FSS 结构与极化旋转超表面结构进行集成，即将FSS 结构的第一层印制在极化旋转超表面介质的背面以取代极化旋转超表面的地板. 图5 为集成后结构的S11共极化和交叉极化分量的仿真结果. 可以看出，在27.7～37.9 GHz 频带内，S11的交叉极化分量比共极化分量高10 dB 以上，说明集成后的结构具有良好的极化旋转特性. 图6 给出了集成后结构的反射系数S11和传输系数S21的仿真结果. 可以看出集成后的结构在低频段仍具有良好的传输特性，为获得双带极化旋转特性打下基础.

表1 FSS 结构等效电路集总参数Tab. 1 Lumped parameters of equivalent circuit of FSS structure

图4 低通FSS 结构等效电路与全波仿真所得S 参数对比Fig. 4 Comparison of S parameters of the FSS structure between the equivalent circuit and full-wave simulation.

图5 集成后结构S11 共极化和交叉极化分量对比Fig. 5 Co-polarized and cross-polarized components of the S11 when integrating the FSS structure and the metasurface array with the polarization conversion characteristic

图6 集成后结构S11 和S21 仿真结果Fig. 6 S parameters when integrating the FSS structure S11 and S21

2 双带极化旋转超表面设计

基于1.2 节的设计过程，设计了一个双带极化旋转超表面结构，其三维结构如图7 所示. 一个高频极化旋转超表面结构印制在F4B 介质(相对介电常数为2.2)的上表面，一个低频极化旋转超表面印制在FR4 介质(相对介电常数为4.4)的下表面. 高频极化旋转超表面为12×12 的子阵列，低频极化旋转超表面为6×6 的子阵列. 低通FSS 结构上层贴片印制在F4B 介质的下表面，FSS 结构下层贴片印制在FR4介质的上表面. 一个金属板放置在距下层介质6 mm处，整体结构的侧视图和俯视图如图8(a)和(b)所示.图8(c) 分别给出了低频和高频极化旋转单元以及FSS 单元的结构. 表2 列出了双带极化旋转超表面结构的详细尺寸. 图9 为极化旋转超表面结构在5～15 GHz 和20～40 GHz 两个频带反射系数的共极化分量和交叉极化分量. 可以看出在6.5～12.3 GHz和26.8～38 GHz 的两个频带内，交叉极化分量比共极化分量高出10 dB. 图10 为极化旋转超表面结构在两个频带中的极化旋转率，极化旋转率为交叉极化分量与总分量的比值. 可以看出在6.2～12.5 GHz和25.9～38.3 GHz 的两个频带内极化旋转率均大于0.9，说明在双频带内实现了良好的极化旋转特性.

图7 双带极化旋转超表面三维结构Fig. 7 The proposed 3D dual-band structure with the polarization conversion

图8 双带极化旋转超表面Fig. 8 Dual-band metasurface with polarization conversion characteristic

图9 双带极化旋转超表面两个频带反射系数的共极化和交叉极化分量Fig. 9 Co-polarized and cross-polarized components of S parameter of the proposed dual-band metasurface structure

图10 双带极化旋转超表面两个频带内的极化旋转率Fig. 10 Polarization conversion ratio of the proposed dualband metasurface structure

表2 双带极化超表面结构的几何参数Tab. 2 Geometric parameters of dual-band polarization metasurface structuremm

从上述设计过程可以看出，双带极化旋转超表面设计方法能够很容易扩展到不同的工作频带. 如保持高频极化旋转超表面和FSS 几何尺寸不变，通过改变低频极化旋转超表面结构的几何尺寸，即可实现低极化旋转频带的改变. 图11 为新双带极化旋转超表面单元结构俯视图，低频极化旋转单元几何尺寸改为：LR1=25 mm,WR1=2.8 mm,T2=18 mm，其他几何尺寸与双带极化旋转超表面的几何尺寸保持一致.图12 和13 分别为新双带极化旋转超表面在2～9 GHz 和25～40 GHz 两个频带内反射系数的共极化和交叉极化分量以及对应的极化旋转率. 可以看出在2.2～5.7 GHz 和26.1～38.3 GHz 两个频带内，新双带极化旋转超表面的极化旋转率大于0.9，实现了良好的极化旋转特性. 对比双带极化旋转超表面的极化旋转频带可知，新设计的超表面其高极化旋转频带有所展宽，但总体保持不变，而低极化旋转频带明显向低频偏移. 尽管目前单一频带极化旋转超表面设计方法能够实现较宽的极化旋转带宽[25]，但其结构设计一旦确定，其极化旋转的工作频带也相应确定，若需要改变其极化旋转频带，则必须重新优化设计整个极化旋转结构，因此其设计通用性较差. 本文所提出的双带极化旋转超表面设计方法能够更加灵活地实现极化旋转频带的操控，从而大大简化了设计的复杂度.

图11 新双带极化旋转超表面结构俯视图Fig. 11 New dual-band metasurface with polarization conversion characteristic

图12 新双带极化旋转超表面两个频带反射系数的共极化分量和交叉极化分量Fig. 12 Co-polarized and cross-polarized components of S parameter of the newly proposed dual-band metasurface structure

图13 新双带极化旋转超表面两个频带的极化旋转率Fig. 13 Polarization conversion ratio of the newly proposed dual-band metasurface structure

将双带极化旋转超表面进行旋转排布获得一个2×2 的阵列来实现RCS 减缩特性，如图14 所示. 双带极化旋转超表面子阵列和其旋转90°后子阵列的反射相位相差180°，从而由极化相消原理可知，将两者排列成2×2 的超表面阵列结构能够在双频带内实现RCS 的减缩特性. 对该结构进行加工，其实物及RCS 测试环境如图15 所示.

图14 双带RCS 减缩超表面三维结构Fig. 14 The proposed dual-band 3D structure for RCS reduction

图15 双带RCS 减缩超表面实物及RCS 测试环境Fig. 15 The fabricated metasurface prototype and its RCS measurement environment

图16 为超表面结构和同尺寸金属板后向RCS仿真和实测结果对比. 可以看出，在6.1～11.7 GHz和28.2～36.6 GHz 中，实测超表面结构比同尺寸金属板后向RCS 小10 dB 以上. 仿真-10 dB RCS 减缩的频带为6.6～12.7 GHz 和27.8～38.1 GHz，实测与仿真结果基本保持一致.

图16 两种结构后向RCS 仿真和实测结果Fig. 16 Measured backscattering RCS of the proposed dualband metasurface structure

图17 为双带RCS 减缩超表面结构与同尺寸金属板在10 GHz 和30 GHz 斜入射情况下φ=0°平面内双站RCS 仿真结果. 可以看出，当入射波的俯仰角为θ=-10°、θ=-20°、θ=-30°时，金属板将会在θ=10°、θ=20°、θ=30°产生一个强的镜面散射波束，超表面结构能够明显地减弱散射波的波束强度，从而实现RCS 的减缩.

图17 10 GHz 和30 GHz 斜入射平面波照射下的双站RCSFig. 17 Bistatic RCS of the oblique plane waves at 10 GHz and 30 GHz

3 结 论

本文提出了一种叠层型的超表面结构设计方法来实现双带目标RCS 减缩，设计了高频段和低频段两个极化旋转超表面阵列，以及一个低通的FSS. 将三个结构集成在一起，形成了双带极化旋转超表面阵列，并将该阵列进行旋转排布成2×2 的结构，以实现双带低RCS 特性. 文中实测和仿真结果吻合良好，显示所提出的超表面结构在6.6～12.7 GHz 和27.8～38.1 GHz 两个频带内具有-10 dB 的RCS 减缩性能.文中所提出的设计方法能够灵活地操控两个不同的极化旋转频带，从而适用于具有双可调频带的低RCS 特性应用场景.