一种宽角域散射增强超表面的研究∗

丰茂昌 李勇峰† 张介秋 王甲富 王超 马华 屈绍波‡

(空军工程大学基础部,西安 710051)

(2018年5月29日收到；2018年7月2日收到修改稿)

1 引 言

随着无线电通信系统的发展,后向散射增强器件的应用越来越广泛.在民用领域,后向散射增强器件主要用于海上遇险救援和航道通航安全.为了避免碰撞,配备后向散射增强器件的救生艇和木船能够有效地增强自身的雷达散射截面(radar cross section,RCS),搜救人员能够及时发现并减少意外情况的发生.在有暗礁、浅礁、沉船等意外事故频发的海域内放置后向散射增强器件,可防止在特殊气象条件下船舶航行出现意外.在军用领域,后向散射增强器件主要作为伪装目标,确保真实目标安全,欺骗敌方,提高己方目标的战场生存能力.随着我国隐身战机的逐渐列装,后向散射增强器件能够有效地增强隐身战机的RCS,有助于塔台引导其安全着陆.此外,装备有后向散射增强器件的导弹能够便于我方实时掌握导弹的飞行轨道.

传统的后向散射增强器件主要包括Luneburg透镜[1,2]和角反射器[3].Luneburg透镜能够在一定角域范围内提供较大的RCS值,但是它一般由介质制成,损耗较大且价格昂贵.角反射器作为后向散射增强器件的典型结构,其在实际应用中也有比较显著的缺点.例如,它一般都由金属材料制成,导致其重量较重、体积较大.目前,随着对超表面研究的逐渐深入,利用相位梯度超表面控制散射增强在近几年有着广泛的研究.但是大多数研究都停留在单频点或单一角度的后向散射增强上[4].实现宽角域和宽频带的后向散射增强是目前研究的难点.

超表面[5−17]是具有亚波长厚度的二维超材料,由二维亚波长或深亚波长结构单元阵列组成.通过对亚波长结构单元透射或反射系数幅值和相位空间分布的调制可实现对透射或反射波束波阵面、极化方式、传播方向、传播模式等的自由调控.因此其在微波元器件[18]、天线技术[19,20]、隐身技术[21,22]领域具有广阔的应用前景.相位梯度超表面[23−26]是一种亚波长厚度的各向异性结构,能使入射电磁波发生相位突变.通过引入相位梯度能够自由地调控反射波或透射波的传播方向.

针对相位梯度超表面对电磁波调控的巨大优势,本文提出引入两个大小相等方向相反方向的相位梯度来实现在一定角域范围和一定带宽范围内的RCS增强.为了得到需要的相位响应,本文采用极化无关的耶路撒冷结构单元来设计相位梯度.仿真和实验结果都验证了这种宽角域RCS增强超表面在−45◦—45◦角域范围内和9—12 GHz宽带频率范围内对于x和y极化波均有良好的RCS增强的效果.

2 宽角域RCS增强超表面设计

2.1 设计理论

如图1(a)所示,二面角角反射器是由两块形状和尺寸相同的平板相互垂直交叉而成的角型结构.电磁波的入射角为θ,当入射角在−45◦＜ θ＜45◦范围内时,根据经典反射定律,入射电磁波将经过两块平板的反射,沿入射波的反方向回射.当入射角θ=±45◦时,入射波经过一块平板的反射方向依然沿入射方向的反方向.因此,在−45◦—45◦的角域范围内能够有效地增强单站RCS.通过以上分析可以看出,二面角角反射器是通过构造几何外形,依据经典的反射理论来实现在−45◦—45◦角域范围内的单站RCS增强.基于相位梯度超表面在调控反射波束波阵面的巨大优势,我们引入相位梯度超表面来实现宽角域RCS增强,如图1(b)所示.根据广义反射定律,对于入射角为45◦的电磁波,ki是入射波的波矢,则它的面内波矢为kix=kisin45◦.要使反射的电磁波沿入射波的相反的方向传播,需要在x方向上引入相位梯度∇Φx,对入射波的面内波矢提供动量补偿,从而改变反射波的传播方向.为了使反射的电磁波沿入射波的相反方向传播,需要补偿的面内波矢为k=∇Φx=−2kisin45◦.通过引入两个大小相等方向相反的相位梯度,补偿面内波矢,分别控制−45◦和45◦方向上的入射电磁波沿入射方向返回；当电磁波垂直入射时,由于此时面内补偿的波矢大于将电磁波耦合为表面波的附加波矢,所以电磁波首先在一个区域内被耦合成表面电磁波.当电磁波传播至另一区域时,由于此时的相位梯度是反向的,因此此时电磁波再次被解耦为垂直反射的自由空间波,分别在−45◦,0◦,45◦方向上形成散射峰,实现了宽角域RCS增强的效果.因此,设计的宽角域RCS增强超表面在−45◦—45◦的角域范围内均有较好的RCS增强的效果.

图1 (a)二面角角反射器示意图；(b)宽角域RCS增强超表面示意图Fig.1.(a)Schematic diagram of the dihedral corner reflector；(b)schematic diagram of the wide-angle RCS enhancement metasurface.

2.2 超表面结构单元设计

为了得到相应的相位梯度,我们采用了经典的耶路撒冷结构来实现相应的相位响应.如图2(a)所示,用来设计相位梯度超表面的结构单元由三层组成,最上层为金属耶路撒冷结构,中间层为F4B介质基板(εr=2.65,tan(δ)=0.001),最下层为金属反射背板.利用CST Microwave Studio软件,优化选择的结构单元的基本参数分别为p=5.3 mm,d=3 mm,a=(b−0.45)mm,w=0.2 mm.通过改变参数b的大小来改变电磁波以45◦角入射时的反射相位.通过上面的理论分析,为达到反射波沿入射波的相反方向传播的目的,需要的相位响应分别为0◦,−45◦,−90◦,−270◦. 对应在中心频点10 GHz处,参数b的值分别为3.06,3.58,3.92,4.78 mm.

图2 (a)耶路撒冷结构单元示意图；(b)四种不同结构参数的反射相位仿真结果；(c)四种不同结构参数的反射幅值仿真结果Fig.2.(a)Schematic diagram of the Jerusalem structural unit cell；(b)the reflection phase simulation results of four different structural parameters；(c)the reflection amplitude simulation results of four different structural parameters.

3 仿真验证

为了验证我们上面的设计思路,将本文设计的宽角域RCS增强超表面利用电磁仿真软件CST Microwave Studio的频域求解器求解,x,y,和z方向均设置为“open add space”边界条件.分别仿真y极化波和x极化波的单站RCS曲线.

如图3所示,绿色曲线代表设计的宽角域RCS增强超表面的单站RCS仿真结果,红色曲线代表等尺寸金属板的单站RCS仿真结果.从仿真结果可以看出,对于x和y两种极化的电磁波,在9—12 GHz的宽带频率范围内,本文设计的宽角域RCS增强超表面在−45◦—45◦的角域范围内均有比较明显的RCS增强的效果.从图3(b)可以看出,在设计的中心频率f=10 GHz存在三个单站RCS增强的极大值点,分别是−43◦,0◦,43◦. 这与本文前面理论设计的RCS增强的极大值点−45◦,0◦,45◦,存在少许的偏差.主要原因在于仿真计算反射相位时采用的是周期性边界条件,相邻单元之间都是同样尺寸的单元结构,单元之间的耦合较强；而当组成相位梯度时,相邻单元之间都是不同尺寸的单元结构,单元之间的耦合减弱,因此,实际的相位梯度与设计的相位梯度存在一定的偏差.从图3(a)—(d)可以看出,在9—12 GHz范围内对于x和y两种极化的电磁波,在单站RCS增强的三个极大值点处均有大于18 dB的增强效果.同时在−45◦—45◦的角域范围内都有比较明显的RCS增强的效果.

为了进一步验证以不同入射角入射到宽角域RCS增强超表面上时反射波传播的主要方向,分别监视y极化波以入射角θ= −43◦,0◦,43◦入射时,宽角域RCS增强超表面在10 GHz处的三维后向远场散射图以及xoz平面内的电场分量分布Ey.通过图4(a)—(c)可以看出,当入射波分别以入射角θ= −43◦,0◦,43◦入射时,反射波的主要方向均沿入射波的相反的方向传播出来.通过图5(a)和图5(c)可以看出,当入射波的入射角分别为θ=−43◦,43◦时,反射波的波阵面沿入射波的相反方向传播出来.同时,通过图5(b)可以看出,当电磁波垂直入射时,在一个区域内耦合为表面电磁波,传播至另一区域再次解耦为垂直反射的自由空间波.这与前面的理论分析是一致的.

4 实验验证

为了进一步验证我们设计的宽角域RCS增强超表面在−45◦—45◦的角域范围内和9—12 GHz宽带频率范围内具有良好的RCS增强的效果.采用平面印刷电路板技术加工制作了尺寸为254.4 mm×259.7 mm的宽角域RCS增强超表面的样品.如图6(c)所示,图中蓝色虚线的两侧分别由大小相等方向相反的相位梯度超单元组成.图6(a)和图6(b)给出了测试RCS测试的暗室环境,固定收发天线且处于相同的高度,将样品固定,保持垂直,置于泡沫塔上并且垂直于收发天线.通过旋转泡沫塔测试宽角域RCS增强超表面在−60◦—60◦方位角的单站RCS.固定样品底座不动,将样品金属板背面朝向收发天线,同样测量金属板在−60◦—60◦方位角的单站RCS.图7(a)—(d)给出了在x极化波入射的情况下,宽角域RCS增强超表面和等尺寸金属板分别在9,10,11和12 GHz频点处测试的单站RCS曲线对比.通过与仿真结果对比可以发现金属板的单站RCS在0◦入射时比仿真结果小3 dB左右,主要原因是由于固定样品的底座不能保证样品处于严格的竖直状态,后向散射偏离入射方向.同时,测试的宽角域RCS增强超表面的单站RCS曲线也与仿真结果有少许的偏差,主要原因有两个:一是加工样品的F4B介质基板与仿真基板的介电常数与损耗正切角有一定的偏差,导致测试RCS增强的极值点对应的角度与仿真的有少许偏差；二是固定样品时未能保证样品垂直于收发天线,导致样品在入射角为0◦时,后向散射偏离入射方向,并没有出现仿真中的极值点.整体来看,实验结果与仿真结果基本符合,验证了宽角域RCS增强超表面−45◦—45◦的角域范围内良好的RCS增强效果.

图3 (a)—(d)在y极化波入射的情况下,分别在9,10,11和12 GHz频点处的宽角域RCS增强超表面与等尺寸金属板的单站RCS仿真曲线对比；(e)—(h)在x极化波入射的情况下,分别在9,10,11和12 GHz频点处的宽角域RCS增强超表面与等尺寸金属板的单站RCS仿真曲线对比Fig.3.(a)–(d)Simulated mono-static RCS curves of wide-angle RCS enhancement metasurface and equal size metal platefor y polarized wave incidence at 9,10,11 and 12 GHz；(e)–(h)Simulated mono-static RCS curves of wide-angle RCS enhancement metasurface and equal size metal platefor x polarized wave incidence at 9,10,11 and 12 GHz.

图4 (a)—(c)y极化波分别以入射角θ=−43◦,0◦,43◦入射时,宽角域RCS增强超表面在10 GHz处的三维后向远场散射图Fig.4.(a)–(c)Backward far-filed patterns of the designed wide-angle RCS enhancement metasurfacefor y polarized wave incidence with the incidence angle θ = −43◦,0◦,and 43◦ at 10 GHz.

图5 (a)—(c)y极化波分别以入射角θ=−43◦,0◦,43◦入射时,宽角域RCS增强超表面在10 GHz处,xoz平面内的电场分量分布EyFig.5.(a)–(c)The simulated distributions of the electric filed components of the designed wide-angle RCS enhancement metasurfacefor y polarized wave incidence with the incidence angle θ = −43◦,0◦,and 43◦ at 10 GHz.

图6 (a)微波暗室环境；(b)固定宽角域RCS增强超表面样品；(c)加工的宽角域RCS增强超表面样品照片,其中插入的两张图片分别代表设计的两个大小相等方向相反的相位梯度超单元的局部放大图Fig.6.(a)Environment of anechoic chamber；(b)fixed the wide-angle RCS enhancement metasurface；(c)sample photograph of the designed wide-angle RCS enhancement metasurface,where the inserts are the zoom views presenting the detail information of different super-cells.

图7 (a)—(d)在x极化波入射的情况下,分别在9,10,11和12 GHz频点处的宽角域RCS增强超表面与等尺寸金属板的测试单站RCS曲线对比Fig.7.(a)–(d)Measured mono-static RCS curves of wide-angle RCS enhancement metasurface and equal size metal platefor x polarized wave incidence at 9,10,11 and 12 GHz.

5 结 论

本文提出并验证了通过引入两个大小相等方向相反的相位梯度综合调制,实现了宽角域RCS增强.仿真与实验结果都验证了在−45◦—45◦的角域范围内和9—12 GHz宽带频率范围内设计的宽角域RCS增强超表面具有显著的RCS增强效果.与传统的后向散射增强器件相比,本文设计的宽角域RCS增强超表面具有RCS增强的角域范围可灵活设计、质量轻、厚度薄、体积小等优点.