袁方 毛瑞棋 高冕 鄭月軍 陳強(qiáng) 付云起

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

更寬的工作頻帶和更低的雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)一直是低可探測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),然而這兩者往往難以兼顧.鑒于此,本文提出了一種幅相同調(diào)的吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面,通過(guò)在寬帶范圍內(nèi)同時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)單元的反射相位和反射幅度,使目標(biāo)RCS 在空間域和能量域分別獲得10 dB 以上減縮,從而通過(guò)疊加獲得20 dB 以上的寬帶RCS 減縮.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在兩種極化下,幅相同調(diào)的吸波-對(duì)消RCS減縮超表面可以在6.10—12.15 GHz 頻帶范圍內(nèi)獲得20 dB 以上的RCS 減縮效果,同時(shí)10 dB 減縮帶寬為4.3—14.2 GHz.所設(shè)計(jì)的超表面具有減縮幅度大、減縮頻帶寬、質(zhì)量輕、單層結(jié)構(gòu)、極化穩(wěn)定性好、柔性易共形等優(yōu)點(diǎn),有望為低可探測(cè)材料研制以及低可探測(cè)裝備性能提升提供新的技術(shù)途徑.

1 引言

軍事目標(biāo)在雷達(dá)探測(cè)下實(shí)現(xiàn)電磁隱身的主要手段是降低目標(biāo)雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS),兩種常用方法分別是設(shè)計(jì)特殊外形和使用雷達(dá)吸波材料涂層.特殊外形設(shè)計(jì)是在空間域?qū)崿F(xiàn)電磁隱身,沒(méi)有能量損耗.例如F-22 和J-20等戰(zhàn)斗機(jī)特殊的外型結(jié)構(gòu),可以將入射能量反射到非探測(cè)方向,從而降低后向RCS,實(shí)現(xiàn)隱身效果.雷達(dá)吸波材料是在能量域?qū)崿F(xiàn)隱身,通過(guò)將探測(cè)波能量吸收并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,減少反射波幅度,實(shí)現(xiàn)RCS 減縮.對(duì)于某些特殊軍事目標(biāo),尤其是飛行器等,其物體外形和空氣動(dòng)力學(xué)有著緊密聯(lián)系,改變外形意味著其氣動(dòng)性的下降;而傳統(tǒng)雷達(dá)吸波材料厚度與密度較大,會(huì)增加目標(biāo)的體積和重量,且造價(jià)高昂,損耗較大,維護(hù)費(fèi)用不菲.因此,亟需研究更為經(jīng)濟(jì)有效的隱身手段來(lái)替代傳統(tǒng)方法.

超材料是指一些具有自然界中材料所不具備的超常物理特性的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料.由于超材料獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和反常的物理特性,使得其成為近幾年學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)[1?30].超表面作為超材料的二維平面模式,不僅繼承了超材料的諸多優(yōu)良特性,同時(shí)還具有重量輕、剖面低、易與裝備表面共形等三維超材料不具備的優(yōu)點(diǎn),因此受到研究者的廣泛關(guān)注.超表面對(duì)電磁波優(yōu)異的調(diào)控能力使得其在新型隱身材料的研究應(yīng)用中發(fā)揮了巨大優(yōu)勢(shì),并取得了豐碩的成果.

利用超表面降低RCS,主要手段有兩種:一種是在空間域重塑電磁波波形,使得主要能量偏折到非探測(cè)方向,降低后向回波[3?11];另一種是在能量域?qū)㈦姶挪芰课?轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,從而降低反射強(qiáng)度[12?23].隨著研究的不斷深入,研究人員開(kāi)始結(jié)合上述兩種手段來(lái)設(shè)計(jì)RCS 減縮超表面.2017 年,Zhuang 等[24]提出了雙頻帶低散射超表面,通過(guò)引入加載集總電阻的交叉偶極子在S 波段實(shí)現(xiàn)吸波;通過(guò)幾何相位單元的旋轉(zhuǎn)在X 和Ku 波段形成相位梯度,造成漫反射,從而實(shí)現(xiàn)雙頻帶10 dB 的RCS減縮.2019 年Ji 等[25]在兩個(gè)相鄰的頻段采用雙層結(jié)構(gòu),第一層為幾何相位單元,在較低頻段實(shí)現(xiàn)電磁波漫反射;第二層為電阻性頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS),在較高頻段實(shí)現(xiàn)吸波,相鄰的頻段最終合并,將10 dB RCS 減縮帶寬擴(kuò)展為13.0—31.5 GHz.2020 年Zhou 等[26]在雙層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又加了一層吸波結(jié)構(gòu),上層為編碼超表面,中間層為FSS,底層為吸波結(jié)構(gòu),三層結(jié)構(gòu)主要作用于三個(gè)相鄰的頻帶,從而將10 dB 減縮帶寬擴(kuò)展為1.85—19.20 GHz.2021 年Leung 等[27]通過(guò)在4 個(gè)不同頻帶處設(shè)計(jì)具有吸波特性的三維結(jié)構(gòu)磁性材料,并利用它們之間的相位差,擴(kuò)展了10 dB 減縮帶寬為3.4—18.0 GHz.上述工作雖然都采用了吸波-對(duì)消/散射兩種機(jī)制,但由于兩種機(jī)制分別在不同的工作頻帶起主要作用,因此只能起到擴(kuò)展帶寬的效果,無(wú)法在同一頻帶內(nèi)獲得更高的RCS 減縮.

本文提出了一種單層幅相同調(diào)的吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面,通過(guò)在寬帶范圍內(nèi)對(duì)單元反射幅度和反射相位的聯(lián)合設(shè)計(jì),在同一頻帶內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量域吸波和空間域相位對(duì)消,從而在獲得更低RCS 的同時(shí),兼顧更寬的工作帶寬,最終實(shí)現(xiàn)了在6.10—12.15 GHz 頻帶范圍內(nèi)20 dB 以上的RCS減縮,及4.3—14.2 GHz 頻帶內(nèi)10 dB 以上減縮,如圖1 所示.本文所設(shè)計(jì)的超表面具有減縮幅度大、減縮頻帶寬、質(zhì)量輕、單層結(jié)構(gòu)、極化穩(wěn)定性好、柔性易共形等優(yōu)點(diǎn),有望為低可探測(cè)材料研制以及提升低可探測(cè)裝備性能提供新的技術(shù)途徑.

圖1 幅相同調(diào)的吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面工作原理示意圖Fig.1.Schematic diagram of the working principle of the absorption-cancellation RCS reduction metasurface with the phase-and amplitude-control.

2 幅相同調(diào)的吸波-對(duì)消超表面設(shè)計(jì)

2.1 RCS 減縮20 dB 以上的條件

對(duì)于一般的底層加載金屬板的全反射型超表面,可以等效為一個(gè)終端短路的二端口網(wǎng)絡(luò),如圖2所示.

圖2 全反射單元等效的終端短路的二端口網(wǎng)絡(luò)Fig.2.Equivalent transmission line model of the reflected unit cell.

根據(jù)傳輸線理論,可以得到超表面單元反射系數(shù)Γ為

其中,Zin為該二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗,Z0為空氣的阻抗,

Zr為超表面上層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效阻抗,Zd為介質(zhì)的等效阻抗,β為介質(zhì)的傳輸常數(shù),β=2π/λ,λ為介質(zhì)中的波長(zhǎng),d為介質(zhì)層的厚度,

εr為介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù),因此,單元的反射幅度可以表示為

反射相位可以表示為

預(yù)設(shè)單元介質(zhì)厚度為d=7 mm,選取空氣作為介質(zhì),相對(duì)介電常數(shù)為ε0=1,在8,10,12 GHz 頻率處,根據(jù)(1)式—(6)式,通過(guò)Matlab 編程計(jì)算,可以得到單元反射相位和反射幅度與超表面上層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)阻抗R與X的關(guān)系,如圖3 所示,其中藍(lán)色實(shí)線是相位曲線,藍(lán)色虛線是10 dB 吸收曲線,白色虛線是20 dB 吸收曲線.

圖3 不 同頻率 處反 射相位 φ 和 反射幅 度 A 與上層 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)阻抗R和X 之間的關(guān)系 (a) 8 GHz;(b) 10 GHz;(c) 12 GHzFig.3.The relationship among the reflection phase φ,the reflection amplitude A,the impedance of the upper-layer topology R and X at different frequencies:(a) 8 GHz;(b)10 GHz;(c) 12 GHz.

如圖3 所示,白色虛線內(nèi)部為要實(shí)現(xiàn)20 dB 減縮時(shí),單元需要滿足阻抗條件所對(duì)應(yīng)的區(qū)域.可以看出,白色虛線圓圈會(huì)隨頻率變化發(fā)生移動(dòng).只有當(dāng)單元阻抗對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn),同時(shí)處于這三個(gè)頻率所示的白色虛線范圍內(nèi)時(shí),才能實(shí)現(xiàn)寬帶20 dB 吸收,否則,只能滿足個(gè)別窄帶.從圖3 可明顯看出,白色虛線的–20 dB 區(qū)域遠(yuǎn)小于–10 dB 藍(lán)色虛線區(qū)域,因此,對(duì)于只由一種吸波單元組成的超表面而言,實(shí)現(xiàn)寬帶范圍的20 dB 吸波是極其困難的.

當(dāng)電磁波垂直入射到由兩種單元構(gòu)成的反射型超表面時(shí),超表面的后向RCS 減縮值σr為

其中,nA和nB分別是整個(gè)超表面中單元A,B 的數(shù)量,α和1?α分別是單元A,B 在整個(gè)超表面中的比例;AA和AB是各自的反射幅度;φA和φB是各自的反射相位,φd=φA?φB是二者的反射相位差值.

如果單元A 和單元B 沒(méi)有損耗吸收,能量全部反射,則AA=AB=1 .可通過(guò)(7)式計(jì)算RCS減縮大小與α及φd的關(guān)系,如圖4 所示.可以看出,當(dāng)α=0. 5 (即nA=nB)時(shí),相位差取值范圍最大.若要獲得10 dB 以上的RCS 減縮,需要滿足φd=180°±37°,即(143°,217°).這與棋盤結(jié)構(gòu)對(duì)消超表面得出的10 dB 相位對(duì)消條件一致.但若要獲得20 dB 以上的RCS 減縮,則需要滿足φd=180°±11°,即(169°,191°).

圖4 當(dāng)單元A 和B 均沒(méi)有吸收時(shí),RCS 減縮和單元比例α 以及相位差 φd 之間的關(guān)系Fig.4.The relationship among the RCS reduction,the parameter α and the phase difference φd,as neither unit A nor B having absorption.

對(duì)于傳輸相位,兩個(gè)單元在寬帶范圍滿足180°±11°的相位差是極其苛刻的條件.因此在眾多單純使用相位對(duì)消的RCS 減縮研究中,達(dá)到20 dB 以上的減縮效果都只是個(gè)別頻點(diǎn),無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬帶工作.單獨(dú)使用吸波或相位對(duì)消中的某一種機(jī)制,都很難實(shí)現(xiàn)寬帶的20 dB 減縮.如果將吸波和相位對(duì)消兩種機(jī)制有效結(jié)合,就有望打破寬帶20 dB 的RCS 減縮嚴(yán)苛的限制條件.

當(dāng)單元A 與單元B 都具有10 dB 吸波特性時(shí),即AA=AB=0.316,如圖5 所示,在α=0.5時(shí),相位差取值最大.達(dá)到20 dB 以上的RCS 減縮則需要兩個(gè)單元滿足180°±37°,這與傳統(tǒng)相位對(duì)消表面10 dB 減縮所需條件一致.可以看出,如果可以設(shè)計(jì)兩個(gè)單元,使它們都具有寬帶10 dB 吸波效果的同時(shí),還在該頻帶具有180°±37°的相位差.利用這兩個(gè)單元進(jìn)行組陣,能量域的吸波和空間域的對(duì)消就可以同時(shí)起效,從而實(shí)現(xiàn)寬帶范圍內(nèi)20 dB以上的RCS 減縮.

圖5 當(dāng)單元A 和B 均有10 dB 吸收時(shí),RCS 減縮和單元比例α 以及相位差 φd 之間的關(guān)系Fig.5.The relationship among the RCS reduction,the parameter α and the phase difference φd with a 10 dB absorption of both units A and B .

2.2 具有寬帶反射相位差的吸波單元設(shè)計(jì)

根據(jù)2.1 節(jié)的分析,為了使單元具備寬帶10 dB吸收效果,即反射幅度A(CST 仿真軟件中為|S11|)小于–10 dB,單元上層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的阻抗Zr在各頻點(diǎn)處的實(shí)部和虛部需要滿足圖6(a)所示關(guān)系.提取對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)R與X的最大及最小值,可以得到圖6(b),(c)所示范圍.理論上,當(dāng)Zr在該范圍內(nèi)取值時(shí),可以在所對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)獲得10 dB 吸收效果.

圖6 (a) 復(fù)阻抗域上不同頻率處|S11|=–10 dB 的橢圓曲線;(b) 滿足10 dB 吸收的阻抗實(shí)部R 的取值范圍;(c) 滿足10 dB 吸收的阻抗虛部X 的取值范圍Fig.6.(a) The elliptic curves of |S11|=–10 dB at different frequencies in the complex impedance domain;(b) the value range of the impedance real part R that meets the 10 dB absorption;(c) the value range of the impedance imaginary part X that meets the 10 dB absorption..

實(shí)際上,Zr的取值與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系緊密.利用CST 單元去嵌入仿真,可以獲得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的R與X曲線.為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便,同時(shí)使單元具備極化無(wú)關(guān)特性,本文選取經(jīng)典的十字結(jié)構(gòu)作為單元上層拓?fù)鋱D案.通過(guò)仿真優(yōu)化,十字結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度L=12.9 mm,大約為中心頻率(12 GHz)的半波長(zhǎng).通過(guò)控制變量,分別對(duì)十字結(jié)構(gòu)的方阻值和寬度進(jìn)行去嵌入仿真分析,參數(shù)掃描結(jié)果如圖7 所示.圖7(a)為寬度W=4.1 mm 時(shí),方阻值改變的阻抗仿真結(jié)果,可以看出,方阻值在40—70 Ω/sq 之間取值時(shí),對(duì)實(shí)部R影響較大,對(duì)虛部X影響較小.圖7(b)為方阻值固定60 Ω/sq 時(shí),改變寬度W的阻抗仿真結(jié)果,可以看出,W的變化對(duì)R和X均有影響.

圖7 阻抗變化曲線圖 (a) W =4.1 mm 時(shí),改變方阻值;(b) 方阻值為60 Ω/sq 時(shí),改變WFig.7.The impedance curves:(a) W =4.1 mm,changing the square resistances;(b) the square resistance being 60 Ω/sq,changing W.

根據(jù)圖6(b),(c)和圖7(a),(b)所示結(jié)果,在綜合考慮寬度W和方阻值對(duì)阻抗變化的影響下,本文首先設(shè)計(jì)了一種寬帶10 dB 吸波單元A,如圖8(a)所示,該單元由三層結(jié)構(gòu)組成:底層金屬銅反射板、中間空氣介質(zhì)層和上層印刷了電阻膜的柔性PET 薄膜.吸波單元A 的尺寸為P=13.2 mm,空氣層厚度h=7.0 mm,交叉十字電阻膜圖案的長(zhǎng)L=12.9 mm,寬W1=4.1 mm,金屬地板厚度為0.018 mm,上層電阻膜的方阻值為60 Ω/sq.所設(shè)計(jì)的十字單元具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,因此具有極化不敏感特性.為了使超表面具備柔性特征,本文所設(shè)計(jì)的單元采用了空氣作為介質(zhì)基底,在后期加工測(cè)試中,空氣層介質(zhì)可以使用柔性泡沫板代替.

利用CST 商業(yè)仿真軟件對(duì)單元A 進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖8 所示.可以看出,單元A 在3.96—15.00 GHz內(nèi)滿足10 dB 以上的吸收,但是只有5 GHz 附近一個(gè)很窄的范圍滿足20 dB 以上的吸收.為了在吸波超表面中引入相位對(duì)消,從而實(shí)現(xiàn)寬帶范圍20 dB 以上的深度RCS 減縮,需要設(shè)計(jì)和單元A具有180°±37°的相位差,且兼具一定吸波能力的單元B.在確定單元A 反射相位的基礎(chǔ)上,通過(guò)仿真優(yōu)化,設(shè)計(jì)的單元B 如圖8(b)所示.單元B 采用了與單元A 相似的十字結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),只是寬度發(fā)生了改變,W2=1.7 mm.如圖8(c),(d)所示,單元B 在6—13 GHz 范圍內(nèi)具有10 dB 以上的吸波能力,且與單元A 在大約6—12 GHz 內(nèi)滿足180°±37°的相位差.單元A 和單元B 的反射幅度和相位特性滿足2.1 節(jié)推導(dǎo)的20 dB 以上RCS 減縮條件,因此,2.3 節(jié)中將利用這兩個(gè)單元組成吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面,進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性.

2.3 吸波-對(duì)消超表面設(shè)計(jì)與仿真

利用2.2 節(jié)設(shè)計(jì)的兩種吸波單元A 和B,可以組成如圖9 所示的超表面.該超表面由20×20 個(gè)單元組成,分別由單元A 和單元B 組成的5×5 子陣按照棋盤布局排列,從而實(shí)現(xiàn)相位對(duì)消特性.利用CST 微波工作室對(duì)該超表面進(jìn)行全波仿真,將仿真所得的單站RCS 與同尺寸金屬平板的單站RCS 取差,可以得到該超表面在2—18 GHz 內(nèi)的RCS 減縮曲線,如圖9(b)所示.因?yàn)樗O(shè)計(jì)的單元為極化不敏感單元,因此超表面也具備極化不敏感特性,對(duì)于水平極化和垂直極化而言,仿真得到的減縮曲線幾乎重合.為了表述清晰,圖9(b)僅給出了水平極化下的減縮曲線.可以看出,所設(shè)計(jì)的超表面在6—12 GHz 范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)20 dB 以上的RCS 減縮,和2.2 節(jié)單元設(shè)計(jì)中滿足20 dB 減縮帶寬的范圍一致.同時(shí),該超表面的10 dB 帶寬達(dá)到了4.3—14.2 GHz,與優(yōu)化設(shè)計(jì)的單元A 的10 dB 帶寬相比略窄一點(diǎn)(3.9—15.2 GHz).因此可以說(shuō)明,本文提出的吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面設(shè)計(jì)方法可以在保證10 dB 減縮帶寬的前提下,大幅提升20 dB 的RCS 減縮帶寬.

圖9 (a) 由單元A 和B 組成的吸波-對(duì)消超表面示意圖;(b) 該超表面與同尺寸金屬平板相比的RCS 減縮曲線圖Fig.9.(a) The schematic diagram of the absorption-cancellation metasurface composed of units A and B;(b) simulated RCS reduction curves of designed metasurface compared to the metal plate of the same size.

根據(jù)陣列天線理論遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖公式,代入單元A 和單元B 的反射相位和反射幅度,可以利用Matlab 計(jì)算得到該超表面在特定頻率下的遠(yuǎn)場(chǎng)方向3D 圖和2D 圖.圖10 給出了在特定頻率 (10 GHz)處,利用Matlab 理論計(jì)算所得的結(jié)果與CST 全波仿真所得的結(jié)果對(duì)比.仿真中出現(xiàn)的副瓣是因?yàn)閱卧g相互耦合的結(jié)果,而理論計(jì)算中并沒(méi)有將耦合考慮進(jìn)去.排除這些耦合引起的副瓣后,可以清晰地看出,理論與仿真結(jié)果吻合良好.這也證明了設(shè)計(jì)方法的正確性及有效性.

圖10 在特定頻率10 GHz 處仿真遠(yuǎn)場(chǎng)圖 (a) CST 仿真遠(yuǎn)場(chǎng)3D 圖;(b) Matlab 理論計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)3D 圖;(c) CST 仿真遠(yuǎn)場(chǎng)2D 圖;(d) Matlab 理論計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)2D 圖Fig.10.Simulated far-field pattern at a special frequency of 10 GHz:(a) 3D far-field pattern of CST simulated;(b) 3D far-field pattern of Matlab;(c) 2D pattern of CST simulated;(d) 2D pattern of Matlab.

為了更好地說(shuō)明所設(shè)計(jì)超表面的工作特性,圖11 給出了在6,8,10,12 GHz 四個(gè)頻點(diǎn)處超表面仿真遠(yuǎn)場(chǎng)圖以及與等尺寸金屬平板的對(duì)比.可以看出,所設(shè)計(jì)超表面繼承了單元自身的吸波特性,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)單元間因相位差引起的對(duì)消.相比金屬平板,超表面在平面波垂直入射下的單站RCS得到的大幅度減縮,均在20 dB 以上.

圖11 超表面和同尺寸金屬平板遠(yuǎn)場(chǎng)3D 仿真對(duì)比圖Fig.11.Comparison of 3D far-field patterns of metasurface and metal plate of the same size.

此外,由于所設(shè)計(jì)超表面具有柔性,還將其作為蒙皮,在金屬圓柱上進(jìn)行共形仿真.在仿真中,y方向設(shè)置為周期邊界,x和z均設(shè)置為“open add space”邊界,圓柱半徑設(shè)置為100 mm.將一個(gè)周期的超表面貼附在金屬圓柱表面,分別對(duì)兩種極化的平面波進(jìn)行仿真,將仿真結(jié)果與同條件下的金屬圓柱對(duì)比,所得的仿真曲線如圖12 所示.金屬圓柱由于其光滑的曲面結(jié)構(gòu),自身的RCS 相比金屬平面而言已經(jīng)是一個(gè)較低的水平.因此,加載超表面后的RCS 減縮空間并不是很大.即便是這樣,從圖12 中也可以看出,在水平和垂直極化平面波入射的情況下,所設(shè)計(jì)超表面依然能實(shí)現(xiàn)寬帶的10 dB 以上的RCS 減縮.其中,垂直極化的10 dB帶寬為4—12 GHz,水平極化的10 dB 帶寬為4—15 GHz.同樣的,為了進(jìn)一步說(shuō)明超表面在共形圓柱情況下的工作特性,圖13 給出了主視圖和俯視圖兩張情況下不同頻點(diǎn)處水平極化下的3D 遠(yuǎn)場(chǎng)散射和金屬圓柱的對(duì)比.可以看出,所設(shè)計(jì)的吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面作為圓柱蒙皮也能起到吸波和對(duì)消的作用.

圖12 吸波-對(duì)消超表面作為蒙皮在圓柱上仿真所得的RCS減縮曲線圖Fig.12.The RCS reduction curves of the absorption-cancellation metasurface loaded on metal cylinder.

圖13 加載超表面蒙皮的圓柱和同尺寸金屬3D 遠(yuǎn)場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.13.The compared 3D far-field patterns of metasurface loaded on metal cylinder and equal-sized metal cylinder.

3 吸波-對(duì)消超表面加工與測(cè)試

為了驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性,加工了柔性超表面樣品,并在微波暗室進(jìn)行了測(cè)試,微波暗室環(huán)境如圖14(a),(b)所示.吸波-對(duì)消超表面樣品由印刷有電阻膜的PET 薄膜通過(guò)超薄(0.01 mm)透明光學(xué)雙面膠粘貼在泡沫板上,泡沫板粘貼在金屬板上組裝而成.設(shè)計(jì)中的空氣介質(zhì)采用了柔性泡沫代替,其介電常數(shù)與空氣相同,柔性樣品如圖14(c)所示.可以看出,所設(shè)計(jì)超表面重量?jī)H為30.2 g,單位面積重量為433.3 g/m2,具備輕量化的優(yōu)點(diǎn).

圖14 (a) 拱形架暗室測(cè)試環(huán)境;(b) 待測(cè)超表面樣品;(c) 柔性超表面樣品稱重;(d) 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線Fig.14.(a) Test environment of arched rack;(b) sample of metasurface to be tested;(c) the weight of flexible metasurface sample;(d) simulated and tested curves.

對(duì)加工樣品在相同條件下進(jìn)行多次測(cè)試,得到如圖14(d)所示RCS 減縮曲線,并與仿真曲線做對(duì)比.可以看出,10 dB 以上的RCS 減縮測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,20 dB 以上的RCS 減縮測(cè)試曲線在7.0—8.2 GHz 略低于20 dB.造成20 dB帶寬不一致的主要原因有兩個(gè):一是因?yàn)橛∷⒌奶紳{電阻膜阻值存在3%—5%的誤差,無(wú)法保證每一個(gè)圖案化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方阻值完全等于60 Ω/sq;二是因?yàn)闃悠吩谑褂秒p面膠組裝過(guò)程中,不可避免地引入了不規(guī)則空氣氣泡,使得樣品厚度不均勻,表面不平整,造成實(shí)際單元相位與仿真所得相位略有差異.盡管存在上述誤差,所設(shè)計(jì)超表面依然在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了接近20 dB 的RCS 減縮(7.0—8.2 GHz 內(nèi)為19 dB 以上),可以有效說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程的正確性和方法的有效性.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件有限,只進(jìn)行了平面結(jié)構(gòu)的吸波-對(duì)消超表面測(cè)試,沒(méi)有進(jìn)行加載該超表面蒙皮的共形圓柱測(cè)試.

4 結(jié)果討論

經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo),仿真模擬和樣品測(cè)試,最終確認(rèn)本文所設(shè)計(jì)幅相同調(diào)的吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面的有效性,其在6.10—12.15 GHz 寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)20 dB 以上的RCS 減縮同時(shí),10 dB 減縮帶寬也可達(dá)到4.3—14.2 GHz,一定程度上解決了更寬的減縮帶寬和更低的RCS 之間的矛盾.表1 給出了本文與其他類似研究文獻(xiàn)的結(jié)果對(duì)比,大部分研究者利用吸波-對(duì)消這兩種方法構(gòu)建超表面來(lái)擴(kuò)展10 dB 的減縮帶寬,確實(shí)取得了很大的進(jìn)展,但這些研究都只實(shí)現(xiàn)了更寬的RCS 減縮,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)更高的RCS 減縮.本文設(shè)計(jì)的幅相同調(diào)吸波-對(duì)消超表面,在保證10 dB 的RCS 減縮帶寬的同時(shí)(相對(duì)帶寬107%),大大提升了20 dB 減縮帶寬(相對(duì)帶寬66%),既實(shí)現(xiàn)了寬帶減縮,又實(shí)現(xiàn)了深度減縮.同時(shí),相比表中文獻(xiàn),本文的超表面為單層結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于加工制作.

表1 相關(guān)文獻(xiàn)研究成果比較Table 1.Comparison of related research results.

此外,表2 給出了超表面作為蒙皮和其他圓柱共形超表面研究文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比.對(duì)于金屬圓柱而言,本身光滑的曲面結(jié)構(gòu)就使其RCS 值較低.因此,大部分RCS 減縮超表面在圓柱上的應(yīng)用都難以達(dá)到寬帶10 dB 減縮.本文設(shè)計(jì)的深度RCS 減縮超表面加載到圓柱表面后,雖然無(wú)法達(dá)到平面情況下20 dB 以上的減縮,但依然可以實(shí)現(xiàn)10 dB以上的寬帶減縮,與相關(guān)研究成果相比具有較大的優(yōu)越性.

表2 共形圓柱RCS 減縮文獻(xiàn)研究成果比較Table 2.Comparison of related research results for cylinder RCS reduction.

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)幅相同調(diào)的吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面進(jìn)行研究與設(shè)計(jì).首先推導(dǎo)了寬帶20 dB以上RCS 減縮的實(shí)現(xiàn)條件,然后通過(guò)同時(shí)設(shè)計(jì)兩種吸波單元的反射相位和反射幅度,最終生成吸波-對(duì)消RCS 減縮超表面.理論推導(dǎo),仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試均證明所設(shè)計(jì)的超表面可以在單層結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)寬帶范圍內(nèi)20 dB 以上的RCS 減縮,相對(duì)帶寬達(dá)到了66%,同時(shí)10 dB 減縮帶寬達(dá)到107%.將該超表面作為蒙皮加載到圓柱上時(shí),依然可實(shí)現(xiàn)兩種極化下4—12 GHz (100%)的10 dB 減縮帶寬.同時(shí),所設(shè)計(jì)超表面由泡沫作為介質(zhì)層,質(zhì)量輕,易與不規(guī)則物體共形,還具備極化不敏感等諸多特性,為新型隱身材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路.