宽频带吸波/反射状态可电控切换龙伯透镜反射器设计

吴祯 支迦豪 李荣浩 武亚君 曹群生* 王毅

（1.散射辐射全国重点实验室, 上海 200438；2.南京航空航天大学电子信息工程学院, 南京 210016）

0 引 言

随着卫星通信和雷达隐身技术的迅速发展，雷达作为一种对飞行器、舰船、导弹等目标物体进行侦查和识别的电磁设备备受关注.雷达散射截面(radar cross section, RCS)作为一种度量待测目标物体在入射电磁波的照射下产生的回波强度，是衡量隐身性能优劣的一项重要指标，可应用于目标识别、雷达抗干扰和电磁隐身等领域[1]，因此对目标物体RCS 的研究至关重要.

在现代电子对抗中，反射器发挥了举足轻重的作用，最常见的角反射器可以产生较大的RCS，模拟飞行器或者舰船等目标物体的雷达反射信号特征.与角反射器类似的还有龙伯透镜反射器，具有增大目标物体的RCS 的特性，且反射性能更加优良，可提供无源宽带且广角的雷达信号增强[2-3].

龙伯透镜为球型对称结构，理论表明，龙伯透镜由内到外的相对介电常数 εr渐变.球体的最内层到最外层的相对介电常数逐渐从 2.0 变化到 1.0[4-5].透镜球内任一点处的εr与所处位置r的关系为[6-7]

式中：r为球内任意点到球心的距离；R为透镜的半径.计算可得1≤ εr≤2.

传统的龙伯透镜反射器是由龙伯透镜和涂敷其表面的金属或者加载的金属板构成，是电子对抗中最重要的虚假目标和雷达诱饵之一[8-9]，可提供无源宽带并且广角的雷达信号增强，具有相对较大的RCS 和较宽的散射宽度，理论上RCS 比具有相同尺寸的角反射器大30 倍[10-12].在目标特性变化的复杂电磁环境下，改变目标的RCS 的研究备受关注.文献[13]提出了龙伯透镜有源反射器功能可切换的设计，实现了频率4.2 GHz 的反射/透射功能可切换.

本文将有源频率选择表面(active frequency selective surface, AFSS)设计技术引入龙伯透镜反射器中，利用PIN 二极管的微波开关，设计了一款宽频带功能可切换的龙伯透镜反射器，实现对入射电磁波在整个X 波段的工作状态可切换，并实现了RCS幅度可调功能.

1 AFSS 反射器的电性能仿真分析

1.1 AFSS 单元的设计

图1 为具有宽带吸波/反射功能可切换的AFSS 整体结构，包括金属贴片、金属通孔、介质基板、空气层、金属地板和偏置馈线电路，其中PIN 二极管等有源器件的偏置馈线网络嵌入在AFSS 的单元结构中，可减少有源器件专用的馈线网络给AFSS 带来的一些寄生参数的耦合效应[14-15].图1(a)与(b)分别为AFSS 层的上、下结构，结构的介质基底为F4BME 材料，相对介电常数为2.2，金属贴片单元刻蚀介质基板上，且一个完整AFSS 单元上有8 个金属通孔，部分金属贴片通过这些金属通孔从下层连接起来.

图1 宽带吸波/反射功能可切换的AFSS 单元Fig.1 Wide-band absorption/reflection function switchable AFSS unit

AFSS 结构的单元周期p为30 mm，上层金属贴片宽度w为2 mm，每个单元包含8 个SKYWORKS制造商制造的SMP1320 型号SOD323 封装的PIN 二极管和16 个阻值为240 Ω 的电阻.放置电阻和PIN 二极管的两贴片宽度l1和l2分别为1 mm 和1.2 mm，介质基板厚度h1为0.8 mm，空气层厚度h2为7 mm，金属通孔半径r为0.25 mm，介质基板下层金属长度l3为4.6 mm.

1.2 AFSS 单元的等效电路分析

为验证提出的AFSS 结构的正确性，利用等效电路模型(equivalent-circuit model, ECM)对结构进行预分析.图2 分别绘制了PIN 二极管在导通（ON）和截止（OFF）状态下的ECM.当PIN 二极管处于ON 状态时，可以用一个1.5 nH 的电感Lon和一个0.75Ω的小电阻Ron串联表示；当PIN 二极管处在OFF 状态下，PIN 二极管可以建模为一个0.23 pF 的电容Coff.AFSS 结构上层的金属贴片可以等效为电感Ls，水平金属贴片和垂直金属贴片之间的间隙可以等效为电容Cs，上层金属和下层金属贴片连接的金属通孔可以等效为电感Ls1，PIN 二极管和集总电阻的间隙可以分别建模为两个电容Cs1和Cs2.介质基板可以用特性阻抗为Z1=的传输线来表示，其中Z0是自由空间的特性阻抗.

图2 AFSS 单元的ECMFig.2 Equivalent circuit model of the AFSS unit

运用射频电路仿真软件ADS 模拟ECM，并计算AFSS 单元的反射系数.当PIN 二极管处于ON 状态时，优化后的ECM 参数分别为Ls=6.3 nH、Cs=0.24 pF、Ls1=0.98 nH、Cs1=0.156 pF、Cs2=0.035 pF 和Rs=471 Ω；当PIN 二极管处于OFF 状态时，ECM 优化参数分别为Ls=6.73 nH、Cs=0.126 pF、Ls1=0.35 nH、Cs1=0.163 pF、Cs2=0.025 pF 和Rs=478 Ω.AFSS 单元结构最下层是金属地板，根据反射参数变化实现AFSS 不同功能的切换.图3 为ADS 计算和全波电磁仿真软件CST 仿真的反射系数结果.当PIN 二极管处于ON 状态时，AFSS 表现为反射状态；当PIN 二极管处于OFF 状态时，AFSS 表现为吸波状态.导通状态的AFSS 在X 波段内反射系数均在−5 dB 以上，具有良好的反射特性；截止状态的AFSS在X 波段均在−15 dB 以下，具有良好的吸波特性，AFSS 结构在两种状态下的隔离度超过15 dB，有明显的切换功能.还可看出，ADS 计算结果与CST 仿真结果基本一致，谐振频点稍微有点频偏，且谐振深度不同，但均在可接受范围之内，验证了提出的AFSS 结构的正确性.

图3 AFSS 在PIN 二极管不同状态下的反射系数Fig.3 Reflection coefficient of AFSS in different states of PIN diodes

1.3 AFSS 单元的角度稳定性分析

通常反射板会以某一入射方向(如法向方向)为基准固定在龙伯透镜的焦点处，由于平面波通过龙伯透镜后会有聚焦效应，入射到AFSS 反射板的方向会发生改变，因此我们所提出的龙伯透镜反射器对角度稳定性有较高的要求.另一方面，AFSS 反射器中的FSS 单元对入射的不同极化电磁波需要对称性来强化极化选择性，并可以利用小型化技术来设计AFSS 单元，以提高不同极化方式下的角度稳定性.

通过CST 进行仿真和分析AFSS 单元对TE 极化状态的角度稳定性，图4 为AFSS 单元从0°～30°角度下的反射系数参数.可以看出，TE 极化下ON 和OFF 状态AFSS 单元的谐振频率在0°～30°基本保持不变，即在导通时反射系数在谐振频点处小于−10 dB，截止时反射系数大于−5 dB，表现出良好的角度稳定性.由于AFSS 对角度的不敏感，在入射角较大时仍能保持良好的反射和透射性能，可以满足加载AFSS 龙伯透镜反射器的要求[16].

图4 TE 极化下AFSS 在0°～30°的反射系数Fig.4 Reflection coefficient of AFSS for TE polarization at 0°−30°

2 X 波段的龙伯透镜设计

设计层数为10、直径为305 mm 的龙伯透镜，其最内层的半径一般为0.4R～0.6R，R为龙伯透镜的半径，选取最内层半径为80 mm，即0.525R.为尽可能减少损耗，其他每层球壳的厚度为 λ/4～λ/2，λ 选取X 波段中心频点10 GHz 处的波长，为30 mm.剩余的九层中每层厚度约8 mm，介于λ/4=7.5 mm 和λ/2=15 mm 之间.采用CST 对龙伯透镜进行电磁建模，图5 为其示意图，相应龙伯透镜各层的特性参数如表1 所示.

表1 X 波段龙伯透镜特性参数Tab.1 X-band Luneburg lens characteristics

图5 龙伯透镜切面示意图Fig.5 Schematic diagram of the Luneburg lens section

2.1 透镜焦点位置的确定

图6 为10 GHz 平面波入射时，电场强度沿龙伯透镜的水平z轴上的分布，其在距球心141 mm 的位置上的电场强度最大.选择龙伯透镜外部电场强度最大的点作为焦点，将馈源或AFSS 反射板置于焦点处，从图6 可以看出在龙伯透镜外部电场强度最大的位置是在距离球心160 mm 处，即焦点位置处.

图6 10 GHz 平面波入射龙伯透镜后沿水平z 轴的电场强度Fig.6 Electric field intensity distribution of Luneburg lens along z-axis when plane wave incident at 10 GHz

图7 为10 GHz 频率下TE 极化的平面波入射到龙伯透镜的电场图，可以看出龙伯透镜表现出良好的聚焦特性.

图7 龙伯透镜焦点Fig.7 Focal point of the Luneburg lens

2.2 透镜天线高增益的验证

为验证所设计的直径为305 mm 的 10 层X 波段龙伯透镜的高增益特性，在龙伯透镜的焦点处放置一个X 波段的角锥喇叭，如图8 所示.

图8 龙伯透镜天线仿真模拟图Fig.8 Simulation diagram of the Luneburg lens antenna

图9 为龙伯透镜天线与未加载龙伯透镜的角锥喇叭方向图的对比.可以看出，角锥喇叭天线在未加载龙伯透镜时的增益为12.9 dBi，而龙伯透镜焦点处放置天线后的增益提高到了27.2 dBi，表明龙伯透镜可明显提高增益.

图9 龙伯透镜天线与角锥喇叭在频率10 GHz下的辐射方向图Fig.9 Radiation patten of the Luneburg lens antenna and pyamid horn at 10 GHz

3 宽频带功能可切换AFSS 反射器的仿真验证

当龙伯透镜设计完成后，AFSS 宽频带功能可调反射器需要针对不同工作频率的入射平面波经过龙波透镜产生的状态变化进行研究.龙伯透镜有源反射器由一个10×10 单元组成的AFSS 构成，AFSS 反射板放置在距离球心160 mm 的焦点位置，图10 为龙伯透镜反射器的结构示意图.

图11 为在8 GHz、9 GHz、10 GHz、11 GHz 和12 GHz 频点下龙伯透镜RCS 仿真值.当PIN 二极管处于ON 状态时，AFSS 反射板处于反射状态，五个频点对应的龙伯透镜反射器单站RCS 均在15 dB 左右；当PIN 二极管处于OFF 状态时，也就是AFSS 反射板处于吸波状态时，五个频点对应的龙伯透镜AFSS 反射器单站RCS 均在6 dB 左右.可见龙伯透镜AFSS 功能可切换反射器具有明显的RCS 可调特性，其与AFSS 吸波状态相比，反射状态反射系数大小有很明显的提升.

图11 五个频点下龙伯透镜反射器的RCS 仿真结果Fig.11 RCS simulation result for the Luneburg lens reflector at five frequencies

4 龙伯透镜反射器的实物验证与结果分析

4.1 实物制作

直径为305 mm 的10 层龙伯透镜实物如图12所示.采用标准PCB 板为龙伯透镜反射器的AFSS 反射板，在F4BME 介质基底的上下表面制作了10×10 单元的金属周期阵列，金属单元采用35 μm 厚度的铜，并且对表面进行沉锡处理，如图13 所示.最终加工后的AFSS 反射板总体尺寸为361 mm ×361 mm，四周以及中间分别用了四根尼龙柱来固定金属地板和刻有AFSS 结构的介质层，保证了中间空气层的厚度.

图12 龙伯透镜、AFSS 反射器以及测试固定薄膜Fig.12 Luneburg lens, AFSS reflector and testing fixed film

图13 AFSS 反射板实物图Fig.13 Fabricated measured prototype of AFSS

4.2 测试结果与分析

图14 为龙伯透镜反射器的测试环境图.CST 仿真模拟中选用平面波激励，实际测试过程满足远场条件时天线发射的电磁波近似为平面波，因此保持收发天线到转台距离约为2 m，并将放置在EPS 泡沫圆形凹槽中央的龙伯透镜连同AFSS 反射器固定在转台装置，使得反射器正面与天线信号发射方向垂直，即0°角度入射.图15 为X 波段的电磁波垂直入射龙伯透镜反射器时，在PIN 二极管处于ON/OFF 状态下测试的反射系数.可以看出：AFSS 反射板处于反射状态的反射系数均在−5 dB 以上；而当处于吸波状态时，8～9.25 GHz 内反射系数低于−20 dB，9.25～12 GHz 反射系数在−20 dB 左右.两种状态下反射系数的起伏度均大于15 dB，且测试结果和仿真结果具有良好的一致性，说明龙伯透镜反射器具有良好的宽带反射/吸波可切换的功能.

图14 龙伯透镜反射器测试环境Fig.14 Measurement environment for the Luneburg lensreflector

图15 龙伯透镜AFSS 反射器反射系数测试值与仿真值Fig.15 Comparison of measured and simulated values of the reflection coefficient of the Luneburg AFSS reflector

为测量单站RCS，采用半径为9 cm 的金属球作为参考定标物体，设被测物体的未知RCS 为 σu，可由公式(2)计算[17]：

式中：S11_u和S11_ref分别为未知目标和参考目标在矢量网络分析仪中测量的反射系数； σref为参考定标物体的RCS.

图16 分别为8 GHz、9 GHz、10 GHz、11 GHz 和12 GHz 五个频点下的单站RCS 测试值.可以看出：当PIN 二极管处于ON 状态时，五个频点下的龙伯透镜AFSS 功能可切换反射器的单站RCS 均在 9 dB 左右；当PIN 二极管处于OFF 状态时，五个频点下的龙伯透镜AFSS 功能可切换反射器的单站RCS 均在1 dB 左右.可以看出这五个频点下龙伯透镜AFSS 反射器可以实现RCS 的变化，且有很明显的RCS 增强特性.测试结果与仿真结果较为一致但存在误差，当PIN 二极管处于ON 状态时，实测的单站RCS 值未能达到仿真值的15 dB，AFSS 反射板在低频时的吸波深度没有仿真时明显.这是因为仿真使用的PIN 二极管等效模型和实际的PIN 二极管性能指标有差异，且龙伯透镜加工中产生的误差会影响龙伯透镜的焦点位置和对平面波的聚焦特性.

图16 五个频点下龙伯透镜反射器的RCS 测试值Fig.16 RCS measured values for the Luneburg lens reflector at five frequencies

表2 分别从反射器是否为有源、工作状态以及工作带宽三个方面，将本文设计的龙伯透镜 AFSS 反射器与公开发表文献中的龙伯透镜反射器功能等进行比较.可以看出，本文提出的龙伯透镜反射器的工作状态可灵活切换，并且具有较宽的工作带宽，具有更广泛的应用领域.

表2 本文提出结构与其他反射器的对比Tab.2 Comparison of the reflector structure in this paper and other literatures

5 结 论

本文提出了一种工作在X 波段且吸波/反射功能状态可电控切换的龙伯透镜反射器，对入射电磁波实现了工作状态可切换，实现了RCS 可调的功能.并设计了一款直径305 mm 的10 层介质龙伯透镜， 通过研究龙伯透镜的聚焦效应、电场强度分布和龙伯透镜对角锥喇叭方向图的影响发现， 加载龙伯透镜的天线增益相对提高了14.3 dBi.实物测试结果表明，10×10 单元的AFSS 反射板在X 波段内实现了吸波/反射两种工作状态可切换，对应的反射参数的起伏度均大于15 dB，当PIN 二极管处于ON/OFF 状态时，测试的X 波段内龙伯透镜AFSS 功能可切换反射器的单站RCS 分别约为 9 dB 和 1 dB.实验结果验证了所设计的基于AFSS 功能可切换的龙伯透镜反射器的正确性，也正是因为其功能可切换，RCS 可调以及带宽相对较宽的特点，相较于其他传统的无源反射器更能适应复杂的电磁环境.

在未来龙伯透镜透镜不再局限于结构传统的球状，近些年，随着超材料技术和 3D 打印的技术不断更新以及转换光学的理论的提出，这样一来利于与其他结构进行共形设计，作为天线时与馈电系统集成更加方便.同时以后会更加关注柔性AFSS 共形技术的研究，柔性的 AFSS 易于弯曲并且可作为曲面反射板，在实际应用中曲面反射板更利于与龙伯透镜集成，这样的设计更满足实际应用的需求.