电磁调控角反射器的散射特性研究

周梓萌 王俊杰 庞晨 郝国庆 冯德军

（国防科技大学电子科学学院, 长沙 410073）

0 引 言

角反射器是由金属平板组合构成的二面角或三面角结构，因其对入射电磁波产生多次反射，在宽角域呈现较大的雷达散射截面积(radar cross section,RCS).作为常见的无源干扰设备，角反射器常被用于生成假目标以隐真示假[1].但与此同时，高价值目标中多个相交平面构成的天然角反射结构也提高了目标被非合作雷达识别的概率，为我方高价值目标的生存带来了威胁[2-4].为解决这一问题，常采用目标特征变换以破坏雷达的识别效果，这一手段有效地提高了目标的抗识别能力，同时也丰富了生成假目标的种类.因此如何实现角反射器的散射特性动态可调具有一定的研究意义.

角反射器的散射特性除了与入射波本身特性相关之外，主要受其结构和材料特性影响.因此，早期关于角反射器的散射特性动态可调多从其结构动态可变入手，基于机械装置的异型结构角反射器应运而生.文献[5]在2011 年提出了一种旋转型角反射器的结构，通过电机带动角反射器叶片旋转以实现RCS 可变.文献[6]在2013 年提出了另一种旋转型角反射器结构，同样借助外界机械装置实现了RCS动态可变.以上散射特性动态可调角反射器的结构设计均依赖机械设备从而实现RCS 可变，实现了较好的调控效果.但此类机械型动态调控的响应速度有待提升，其响应延迟多为秒级或者亚秒级，实时调控性不足，使得实际应用具有局限性，如何实现快速响应的散射特性动态可调仍有待研究.

新型人工电磁材料因其结构单元小、特性可调控、可设计性等优势而受到广泛关注，可以在不自主发射电磁波的前提下对雷达回波幅度、相位、频域等参数实现精确调控[7-10].而这种调控能达到有源对抗才能达到的效果，如特征控制、图像生成、逼真多假目标等，同时又具备传统无源对抗器件造价低、响应速度快、不易暴露等特点[11-14].随着电磁材料的发展，其调控速度可达微秒级甚至纳秒级，相较于机械调控，响应速度有数万倍的提升.其中有源频率选择表面(adaptive frequency selective surface, AFSS)是一类常见的幅度调控材料.Smith 团队利用传输线模型研究了宽带AFSS 结构，为AFSS 吸波体的快速发展奠定了理论基础[15].陈谦等基于传输线等效理论，设计了含有 AFSS 的三层可调复合吸波体，通过调节PIN 二极管阵列偏置电压可以动态调节吸波体反射特性[16].考虑人工电磁材料对雷达回波信号的调控能力，利用人工电磁材料制作角反射器，能够实现角反射器反射特性的动态调控，这为实现快速响应的角反射器散射特性动态可调提供了一种新的方案.文献[17]验证了翼前后缘涂敷吸波材料可以有效地控制RCS.文献[18]提出了一种基于电磁材料的RCS 增强器设计，利用电磁材料结构代替金属面构成反射器，实现了更好效果的假目标欺骗干扰.文献[19]设计了一种加载超材料吸波体的新型三面角反射器，实现了角反射器散射特性动态可调，能够更加有效地对抗变频雷达识别.

以上关于电磁材料角反射器的研究均基于静态调控效果的电磁材料，未基于具有动态调控效果的AFSS 材料，同时电磁材料角反射器的调控角域仍有待分析.结合AFSS 的动态调控效果，本文对加载AFSS 的角反射器散射特性展开了分析，利用仿真软件 CST Microwave Studio 进行计算，对加载电磁材料的角反射器的宽角域动态可调效果进行验证，同时针对电磁调控角反射器设计步骤和电磁调控角反射器特点进行概述.

1 AFSS 调控原理

1.1 AFSS 概述

AFSS 通常由金属导体和介质层交替排列而成，可在特定的频率范围内选择性地吸收、反射或透射电磁波.此外，AFSS 可以通过调节其结构和物理参数来实现对电磁波的频率选择，从而在不同频段上实现不同的电磁性能.相较于FSS，AFSS 可通过对有源器件的控制，在一定频率范围内对电磁波反射率进行动态调控且不主动辐射电磁波.同时，由于其具有体积小、可灵活调控等优点，可被用于调节天线的辐射模式、改变RCS、提高电磁波屏蔽效果等多种场景，在雷达隐身、无线通信、天线设计等领域得到了广泛应用.

AFSS 多为有源阻抗层、介质层、金属底板构成的多层结构，如图1 所示.入射波照射到材料表面时，部分电磁波通过表面阻抗层反射，另一部分电磁波透过阻抗层和介质层，在底部金属层反射，二者之间出现π 的相位差，从而相互抵消.多层结构均有其对应的功能：介质层可以来支撑导电材料并调节电磁波的传播速度和相位，以达到吸波的效果；有源阻抗层在电磁波作用下可以产生电流，从而将电磁波转化为热能或电能，使其被吸收.AFSS 单元的调控效果则由有源阻抗层中的可调阻抗元件实现.

图1 AFSS 常见结构示意图Fig.1 Common structural diagram of AFSS

1.2 AFSS 单元反射率计算

有源阻抗层的阻抗为

式中：Rs为不同偏置电流下的等效电阻值；Ls为等效电感；Cs为等效电容.

AFSS 的等效输入阻抗为

式中：Z为介质层的等效阻抗； β为介质层的传播系数；d为介质层厚度.

AFSS 单元的反射系数为

2 “领结型”AFSS 单元特性

CST Microwave Studio 是一款用于电磁仿真的三维软件，可以用于分析和设计电磁组件，模拟电磁场的传播、反射、折射等，本文利用CST Microwave Studio 2020 进行仿真计算.“领结型”结构具有带宽大、频响特性可调、结构简单、吸波效果较好等优势，因此选择该结构进行电控角反射器散射特性研究.首先计算“领结型”AFSS 单元的反射率.“领结型”AFSS 单元结构及坐标系设置如图2 所示，其单元主视图如图3 所示，图中的单元结构对应参数如表1 所示.

表1 AFSS 单元结构参数Tab.1 Parameters of AFSS unitmm

图2 “领结型”AFSS 单元结构示意图Fig.2 Diagram of AFSS unit structure

图3 “领结型”AFSS 单元主视图Fig.3 Main view of AFSS unit

在AFSS 单元之间添加电阻以模拟PIN 二极管在不同偏置电流下的电阻变化，设定PIN 二极管阻值变化范围为20～1 000 Ω，入射频率为5 ～ 15 GHz.利用 CST Microwave Studio 的Floquet 端口模式可以对Zmax 和Zmin 两个端口的电磁波传播模式(极化方式)进行设置，每个端口均包含两种模式，即水平极化和垂直极化.在设置好端口模式后，利用频域求解器即可计算不同极化条件下单元的传输特性.由于单元结构本身的对称性及有源器件中的电流方向，该材料为一种单极化调控材料，即只有在垂直极化下具有调控效果，图4 为垂直极化条件下垂直入射电磁波对应的不同阻值的反射系数.

图4 垂直极化垂直入射下不同阻值对应的反射系数Fig.4 Reflection coefficients corresponding to different impedances under vertical incidence

由图4 可知，单元的反射系数在PIN 二极管阻值不同时呈现出差异，单元的谐振频率均在11 GHz 左右.随着电阻变化，吸收峰对应的反射系数出现差异，即不同阻值对应吸波、散射的不同状态.当电阻为1 000 Ω 时，X 波段下的反射系数最高，接近0 dB，说明电阻为1 000 Ω 时单元在X 波段呈现良好的反射特性，即二极管处于断路状态时，该领结型单元近似于全反射状态；当电阻为30 Ω 时，反射系数达到了−25 dB，说明电阻为30 Ω 时单元在X 波段呈现良好的吸波特性.因此，可通过改变AFSS 的外接偏置电流来切换AFSS 单元的吸波和反射状态.图5 中的黄色区域为该AFSS 单元在不同偏置电流下的调控范围，即通过改变偏置电流可达到的最佳吸波与最佳反射状态.

图5 AFSS 的频域调制效果Fig.5 Frequency domain modulation effect of AFSS

平面电磁材料非垂直入射下其吸波特性有限，因此我们设定不同方向的入射波，计算其反射系数，分别设定俯仰角θ=15°、θ=30°，计算φ=0°、φ=15°、φ=45°、φ=60°下的反射系数，结果如图6 和图7 所示.

图6 吸波态下不同俯仰角对应的反射系数Fig.6 Reflection coefficients corresponding to different pitch angles under absorbing states

从图6 可知，该“领结型”AFSS 单元在吸波状态下，俯仰角为15°时，入射波略偏离垂直方向，此时同一阻值下的反射系数与垂直入射接近，且谐振频率基本保持不变，同时吸波深度可达−28 dB，与垂直入射吸波效果接近.当俯仰角达到30°时，X 波段谐振频率发生了偏移，总体仍呈吸波效果，但吸波效果衰减.以10 GHz 下的反射系数为例，θ=15°时，φ=15°以内保持与垂直入射接近的反射系数，φ=45°、φ=60°时，其反射系数较大，吸波效果不佳.以吸波深度−5 dB 为界，入射波俯仰角15°，方位角15°以内可达到−5 dB 的吸波深度.综合上述，不同入射方向下该AFSS 单元因其结构对称，其吸波效果较好，但入射方向偏离垂直方向较多时，其吸波效果受到了较大的影响.同时对比方位向、俯仰向角反射器反射系数差异可知，俯仰角变化对反射系数的影响更大，同时带来了谐振频率的改变.

从图7 可知，强反射态下，不同入射方向对该单元在X 波段的反射效果基本无影响，仍呈强反射态.

3 AFSS 电磁调控三面角

基于第2 节单元结构，本节设计了一种单面AFSS 与双面金属组成的电控角反射器，在保留传统方形金属角反射器结构的基础上，用AFSS 替换底面金属板.由于电控角反射器保留了角反射结构，对电磁波同样有着结构带来的回溯效果.相较于金属角反射器，电磁调控角反射器是一类新型的角反射器结构.在保留角反射结构的同时加载AFSS 材料，AFSS 材料本身在不同偏置电压下具有不同的反射特性，使得原本特性固定的角反射器可以实现角反射器雷达目标特征的灵活调控.

整体结构如图8 所示，AFSS 是由图3 所示的单元结构按20 × 20 排列而成，角反射器具体尺寸为32 cm × 32 cm × 32 cm.以角反射器的顶点为坐标原点建立xyz坐标系，与材料单元的坐标系定义一致，二极管连接方向定义为y方向，由金属底板到有源阻抗层方向定义为z轴.定义入射电磁波与z轴夹角为入射波俯仰角θ，入射电磁波在xOy平面上的投影与x轴的夹角为入射波方位角φ.

图8 电磁调控角反射器示意图Fig.8 Diagram of two types of corner reflectors

将针对平面吸波材料的RCS 计算拓展到三维电控角反射器，在电磁仿真软件CST 中建立电控三面角的仿真模型，对其进行电控角反射器RCS 仿真计算.定义调控深度 Δσ为吸波态和反射态下角反射器RCS 的差值：

由以上对单元结构的分析可知，该材料在X 波段、垂直极化下具有调控效果，因此以入射波频率10 GHz 为例，对X 波段下不同入射波角度下电磁调控角反射器的RCS 进行仿真.调控深度为该电控角反射器在两种不同状态下的RCS 差值，表征该电控角反射器的调控范围及调控效果.仿真结果如图9 所示.

图9 不同俯仰角下电控角反射器的RCS 和调控深度Fig.9 RCS and modulation depth of electrically controlled corner reflector at different pitch angles

由图9 可知，电阻为1 000 Ω 时电控角反射器呈强散射态，其RCS 变化趋势与金属角反射器接近，方位向上呈现先增大后减小再增大的变化趋势.同时，调控深度随入射波的方向变化呈现显著性差异，10 GHz 时，俯仰向0 ～ 45°范围内的RCS 调控深度维持在−20 dB 左右，具有较大的调控深度；其变化临界值为即约为34°和54°，最大调控深度可达−40 dB 以上.

对图10 中不同方位角下RCS 调控效果进行分析可知，强吸波态下，角反射器RCS 均值小于−10 dB，相较于反射态具有明显的RCS 衰减，方位向0～45°范围内同样有−20 dB 左右的调控深度.当入射波的俯仰角超过60°时，调控深度会显著降低，这是由于此时入射波与超表面之间的夹角较小，使得电磁表面的调控效果变差.仿真结果表明，通过改变AFSS 的外加偏置电压，可使PIN 二极管的阻值在30 Ω 和1 000 Ω 之间变化，实现单元在透射态和反射态之间切换，其X 波段的透波深度可以达到−30 dB 以下.此外，电控角反射器相较于AFSS 平面具有宽角域特性，能够在0～60°的俯仰向、0 ～ 45°的方位向范围内维持较好的透波特性.结合图6 与图7 的仿真结果可知，该AFSS 平面的调控角域范围为方位向0～30°、俯仰向0～30°.根据以上对电控角反射器的调控角域的分析可知，该电控角反射器的调控角域范围较大，因此具有宽角域特性.

角反射器的广义调控深度可拓展至不同二极管阻值下的RCS 差值，如图5 中黄色区域所示通过改变偏置电流可达到的最佳吸波与最佳反射状态.而介于最佳吸波和最佳反射状态之间的电阻阻值(30～1 000 Ω)对应的AFSS 状态同样也对应吸波态，则不同阻值对应不同的调控深度，图9(b)为俯仰角为30°下的方位向RCS 及调控效果，由对调控深度的定义可知，该调控深度曲线为阻值为30 Ω 的吸波态与阻值为1 000 Ω 的反射态之间的差值，因此可实现较为稳定的调控效果即多入射角度下接近的调控深度.综上所述，可通过改变AFSS 材料中PIN 二极管的阻值以实现稳定的调控效果.

以图9(b)中的调控深度曲线为例，分别取φ=30°、φ=45°、φ=60°三点，已知上述两个入射波角度下调控深度均高于20 dB，但三者差值较大，想要实现上述入射角度下的稳定的调控深度，须改变该电控角反射器的AFSS 材料中的二极管阻值，从而改变调控深度，结果如表2 所示.由表2 可知，可通过改变二极管阻值(偏置电压)改变电控角反射器的调控深度，从而实现稳定的调控效果.

表2 不同方位角下实现稳定调控对应的阻值和调控深度(θ=30°)Tab.2 The resistance and modulation depth corresponding to stable modulation at pitch angle of 30° and different azimuth angles

根据以上关于不同入射角度下电磁调控角反射器调控效果的分析可知，电磁调控角反射器的调控深度与入射波方向有显著相关性，同时其调控频段与单元结构的调控频段一致.电控角反射器吸波态下的RCS 减小效果主要源于电磁材料对入射电磁波的调控.已知角反射器的后向散射主要来自于角反射器结构对入射波的三次反射不同入射角度下入射波按不同反射路径实现多次反射，即角反射器的自身结构使其具有了宽角域特性.而人工电磁材料处于吸波态时则吸收了部分入射波能量及一次反射、二次反射能量，使得角反射器三次反射后的能量产生衰减，即接收天线处散射波功率密度减小，具体则表现为角反射器RCS 的减小.与此同时，其角反射结构导致的入射波多次反射同样也使得电控角反射器可在较大的入射波角域范围内特性可调，与仿真结果一致.此外，根据该电控AFSS 角反射器的动态调控特性，可在不同角度下通过改变对应的PIN 二极管实现广义调控深度的改变，即设计的该电磁调控角反射器具有宽角域、特性可调、可稳定调控的特性.

4 电磁调控角反射器概述

4.1 电磁调控角反射器设计准则

综合以上分析，相较于AFSS 单元，电磁调控角反射器具有更宽的调控角域.根据以上关于电磁调控角反射的调控角域分析可知，角反射器结构带来的对入射波的回溯效果解决了AFSS 单元本身受角度影响大的问题，使得AFSS 单元选择上具有更强的适应性，同时使得电磁调控角反射器的调控效果更具普适性.实际应用中，可通过调整电磁角反射器的偏置电流改变角反射器的雷达目标特性，拓展角反射器作为无源干扰装置的使用范围.

根据以上关于电磁调控角反射器的散射特性研究，给出电磁调控角反射器的设计思路及设计流程：电磁调控角反射器的设计应遵循从单元到整体，从平面结构拓展到三维立体的原则，其流程图如图11所示.

图11 电磁调控角反射器的设计流程Fig.11 Design process of electromagnetic controlled corner reflector

4.2 电磁调控角反射器优点

以上关于电磁角反射器散射特性的分析，验证了电磁调控角反射器具有以下优势：

1)电磁调控角反射器散射特性动态可调.通过改变电磁调控角反射器的偏置电流大小可以实现对电磁波的调控，并且这种变化是具有实时性、灵活可调的，速度在微秒至纳秒级，远优于机械调控，且相较于传统吸波体，具有多种调控效果，适用于更多场景.

2)电磁调控角反射器制作方法简单、效果突出，同时后期可调.介质支撑层的厚度与谐振频率紧密关联，后期可通过调整介质支撑层厚度改变谐振频率，解决了传统角反射器一经加工便特性固定的问题.

3)电磁调控角反射器同样具有传统角反射结构的宽角域特性，相较于对入射角度敏感的平面AFSS 单元，电磁调控角反射器可实现在宽角域的灵活调控，并表现优良的吸波特性.

5 结 论

针对平面电磁材料对入射角度敏感带来的使用场景限制，本文设计了一种加载AFSS 的电控角反射器，针对电磁调控角反射器的散射特性展开研究，实现了宽角域下的角反射器散射特性可调，调控效果可达20 dB 及以上，验证了电控三面角的宽角域特性，解决了调控效果受入射波角度限制的问题，拓宽了角反射器的性能和使用范围，对于降低高价值目标被非合作雷达探测的概率具有较大意义.同时给出了电磁调控角反射器的通用设计思路，以拓宽角反射器的适用范围及对关键目标的保护效果.

本文研究了人工电磁材料对规则角反射结构电磁特性的影响，而实际装备中的角反射结构可能为非规则异型结构，后续将基于装备中的实际角反射结构展开电控非规则角反射器散射特性的设计及研究.