李英嘉，周云生，祝大龍

一種S頻段具有RCS縮減特性的編碼超表面*

李英嘉，周云生，祝大龍

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

設(shè)計了一種覆蓋S頻段的電控1-bit編碼單元，并對其進(jìn)行了等效電路分析與參數(shù)優(yōu)化，單元在0/1兩種工作狀態(tài)下相位相差180°；以此為基礎(chǔ)完成了9×9超表面陣列設(shè)計，通過設(shè)置變?nèi)荻O管兩端的偏置電壓，使各個超表面單元能夠根據(jù)設(shè)計需求在0/1兩種工作狀態(tài)之間切換，從而實(shí)現(xiàn)反射電磁波能量干涉相消。仿真結(jié)果表明，編碼超表面陣列在2 GHz～4 GHz內(nèi)相對于同尺寸的金屬板能夠?qū)崿F(xiàn)15 dB以上的RCS減縮。

反射型超表面；遺傳算法；電控編碼單元；RCS減縮

引言

超表面是超材料的超薄二維形式，由超表面單元在平面上緊密排布而成。編碼超表面以編碼的方式表征單元的空間排布，通過調(diào)控加載在單元上的有源器件實(shí)現(xiàn)對編碼狀態(tài)的動態(tài)切換。相比傳統(tǒng)的電子對抗方式，超表面耗能小、重量輕，可對入射電磁波直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；超表面陣列能夠?qū)θ肷洳ǖ姆较颉O化和頻率進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)隱身和目標(biāo)欺騙的功能。

哈佛大學(xué)Nanfang Yu、Patrice Genevet等人[1]于2011年在《Science》上提出二維光學(xué)諧振器陣列，當(dāng)電磁波穿過兩種介質(zhì)之間的界面時，二維諧振器陣列的存在能夠在波長尺度上引入相位突變，從而使光束產(chǎn)生異常反射/折射現(xiàn)象。與基于等效媒質(zhì)理論的傳統(tǒng)三維電磁超材料相比，二維諧振器陣列利用“相位突變”取代了傳統(tǒng)的“空間積累”實(shí)現(xiàn)對電磁波的調(diào)控，減小了設(shè)計難度，降低了制備成本，且尺寸小、易于集成。

東南大學(xué)崔鐵軍課題組[2]于2014年提出了數(shù)字編碼超表面的概念，利用數(shù)字編碼代替等效媒質(zhì)描述超材料[3,4]，以0/1編碼的方式實(shí)現(xiàn)對超表面陣列排布狀態(tài)的表征，引入有源器件（如MEMS開關(guān)、二極管等）實(shí)現(xiàn)對各個超表面單元工作狀態(tài)的實(shí)時切換，同一超表面平臺在這種靈活高效的控制下能夠根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)不同的功能、適應(yīng)不同的頻段。

利用電控編碼單元組成超表面陣列，可以獲得多種電磁功能的捷變調(diào)控[5,6]。本文設(shè)計一款S頻段編碼超表面，利用遺傳算法優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)，使反射電磁波能量干涉相消，降低目標(biāo)在整個空間散射場的RCS峰值，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)隱身[7]。在被S頻段平面波照射時，相對于同尺寸的金屬板，超表面能夠?qū)崿F(xiàn)15 dB以上的RCS縮減。

1 S頻段超表面單元構(gòu)型設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化

本文設(shè)計的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，S頻段入射波的波長范圍為75 mm～150 mm，因此將單元的整體尺寸定為50 mm×50 mm×10 mm。整個結(jié)構(gòu)從上至下依次為：金屬貼片層、介質(zhì)層、金屬通孔、饋電網(wǎng)絡(luò)、絕緣層、金屬板。

圖1 S頻段超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖

單元最底層的金屬板可以防止入射電磁波透射，如果與同為金屬的饋電網(wǎng)絡(luò)存在接觸將會導(dǎo)致短路。因此，本文在底層金屬板和饋電網(wǎng)絡(luò)之間添加了一層0.2 mm的絕緣體，這樣既有利于后期饋線的排布設(shè)計，又能夠弱化饋電網(wǎng)絡(luò)對超表面單元電磁特性的影響。

在單元結(jié)構(gòu)中引入有源器件能夠在不改變單元構(gòu)型尺寸的前提下，實(shí)現(xiàn)對單元電磁響應(yīng)的實(shí)時、動態(tài)控制[8]。本設(shè)計選取的二極管SMV2019-079LF來自Skyworks公司，電容變換范圍為0.24 pF～2.33 pF，并且串聯(lián)電阻較小，相位噪聲較低。SMV2019-079LF的SPICE模型如圖2所示，利用Advanced Design System搭建Port 1和Port 2之間的提參電路從而分析兩個端口之間的Z參數(shù)[9]。

圖2 變?nèi)荻O管等效電路示意圖

表1 在不同偏置電壓下SMV2019-079LF的等效電路參數(shù)

為了使單元0/1狀態(tài)下的相位差在工作頻段內(nèi)盡可能完整地落在170°～225°之間（即圖3灰色區(qū)域），本文在調(diào)整二極管兩端電壓的同時，對單元上層貼片長度分別為10、12、14、16、18、20（mm）的幾種情況分別進(jìn)行了全波仿真并分析反射系數(shù)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 2.0 GHz～4.0 GHz不同貼片長度的單元在各偏置電壓下的反射相位差

經(jīng)結(jié)果比對，在=18 mm的情況下，通過調(diào)整變?nèi)荻O管兩端電壓，可以使單元在2.0 GHz～4.0 GHz內(nèi)0/1狀態(tài)相位差范圍基本滿足設(shè)計要求。

2 單元性能仿真與分析

入射電磁波到達(dá)單元表面時，表層的金屬圖案與二極管串聯(lián)所形成的耦合單元會與電場產(chǎn)生電響應(yīng)，而單元上層和底層金屬板會形成反向電流回路，產(chǎn)生磁響應(yīng)。本文利用電磁仿真軟件CST分別對單元金屬圖案層的表面電場和散射波形進(jìn)行仿真，得到單元0/1兩種狀態(tài)下的電磁響應(yīng)，如圖4所示。

圖4 單元表面電場分布圖

由仿真結(jié)果可以看出，“1”狀態(tài)下單元電場大部分集中在金屬貼片中間的縫隙處；而“0”狀態(tài)時，貼片間的電場基本消失。兩種工作狀態(tài)下的單元在不同頻點(diǎn)處的散射波形也存在很大差異，如圖5所示。由此判斷，變?nèi)荻O管在0/1兩種工作狀態(tài)下能夠很大程度地影響超表面單元的電磁響應(yīng)?？梢砸源藶榛A(chǔ)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，使單元實(shí)現(xiàn)設(shè)計所需的幅相響應(yīng)特性。

圖5 0/1狀態(tài)下單元的散射波形

在對單元反射系數(shù)（S11）的仿真設(shè)置中，通過添加lumped element（集總元件）實(shí)現(xiàn)對SMV2019-079LF等效電路的模擬。在、、方向上分別使用electric（Et=0）、magnetic（Ht=0）、open（add space）作為邊界條件，這樣設(shè)置可以模擬陣列排布中的單元模型，使獨(dú)立單元的邊界與陣列排布中的單元邊界相一致；最后利用Time Domain Solver得到超表面單元對極化入射電磁波的反射幅度/相位響應(yīng)。

仿真結(jié)果表明：本文設(shè)計的單元在2 GHz～4 GHz頻段內(nèi)0/1兩種工作狀態(tài)下，反射相位差在170°～225°范圍內(nèi)，如圖6所示，與此同時反射幅度基本穩(wěn)定。由此得出結(jié)論：在工作頻段內(nèi)，編碼單元具備滿足設(shè)計要求的幅度特性和相位特性，并且能夠?qū)崟r動態(tài)地改變工作狀態(tài)；可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行反射型1-bit編碼超表面的陣列設(shè)計。

圖6 不同偏置電壓下S頻段超表面單元反射系數(shù)

3 S頻段超表面陣列設(shè)計

3.1 陣列設(shè)計方法

本節(jié)基于前兩章設(shè)計的S頻段編碼單元開展超表面陣列設(shè)計，整個表面由×個陣元組成（=9）。根據(jù)入射頻率調(diào)整變?nèi)荻O管兩端偏置電壓，使“0”單元和“1”單元的相位差保持在170°～225°之間。利用單元0/1兩種工作狀態(tài)下低損耗、相位相反的特性對編碼單元進(jìn)行合理的空間排布，使垂直入射的電磁波在后向方向上能量干涉相消，實(shí)現(xiàn)RCS縮減。

設(shè)超表面上第（,）個陣元的反射相位為(,)，根據(jù)1-bit編碼超表面單元的相位特性，陣元的反射相位(,)只有0和π兩種狀態(tài)。超表面陣列在正入射的平面波激勵下產(chǎn)生的遠(yuǎn)場散射的幅度函數(shù)為[10,11]：

當(dāng)和滿足以下條件時，遠(yuǎn)場散射的幅度達(dá)到第一個極值點(diǎn)：

超表面在被S頻段平面波垂直入射時，可以根據(jù)式（3）～式（4）分別計算反射波束的方位角和俯仰角。

為了能夠最大程度地縮減表面RCS，本文將陣列模式綜合APS（Array Patern Synthesis）與遺傳算法GA（Genetic Algorithm）結(jié)合起來優(yōu)化設(shè)計超表面陣列的編碼排布，APS-GA的算法流程如圖7所示。

在每一次迭代后，APS模塊都會接收到GA模塊發(fā)送的相關(guān)信息，每個個體（陣列編碼排布方式）的適應(yīng)度值（）為：

式（5）表征的是將超表面產(chǎn)生的電場輻射的最大值最小化，超表面的RCS縮減效果越好，適應(yīng)度值越大。整個算法的核心是GA模塊生成超表面的陣列編碼排布狀態(tài)，APS模塊基于當(dāng)前的編碼序列計算出表面的RCS以判斷其性能，并將適應(yīng)度值結(jié)果返回到GA模塊。

經(jīng)過多次迭代，可以得到最佳解（即適應(yīng)度值最大情況下的編碼陣列排布），此種排布狀態(tài)下的編碼超表面在S頻段電磁波入射時RCS值相對于金屬表面存在較大程度的縮減。

利用MATLAB計算得到最佳解的編碼排布狀態(tài)下超表面遠(yuǎn)場散射圖，和全1編碼超表面的遠(yuǎn)場散射圖的對比如圖8所示。

圖8 不同超表面遠(yuǎn)場散射圖對比

3.2 仿真與驗證

本文設(shè)計的超表面陣列由9×9個編碼單元組成，單元整體尺寸為50 mm×50 mm×10 mm，單元中金屬圖案層面積為21 mm×18 mm，設(shè)計完成的超表面陣列總尺寸為450 mm×450 mm×10 mm。

在單元設(shè)計中，邊界條件設(shè)置為Floquet Boundary（浮邊界），這種仿真條件下的單元在和方向上會被與其相同的單元包圍。然而，具有RCS縮減特性的編碼超表面中的陣元不是按周期分布的，因此，周圍單元的編碼狀態(tài)不一定與中心單元的編碼狀態(tài)一致，這種情況下每個陣元所表征出的幅相特性會和單個陣元設(shè)計中Floquet Boundary條件下仿真得到的單元幅相特性有很大差別。因此，相較于傳統(tǒng)的編碼超表面設(shè)計，本文通過適當(dāng)?shù)卦龃髥卧薪橘|(zhì)層和金屬底板的面積使陣列表面的金屬圖案層形成相對稀疏的排布，減小了不同編碼狀態(tài)的相鄰陣元之間產(chǎn)生的耦合影響，降低編碼單元的不規(guī)律排列對其幅相特性的影響，如圖9所示。

圖9 9×9編碼超表面結(jié)構(gòu)示意圖

本文利用CST對陣列表面進(jìn)行全波仿真，邊界條件設(shè)置為open（add space）以模擬實(shí)際工作情景，并設(shè)置Field Monitors（現(xiàn)場監(jiān)測儀）；同時選取尺寸與該超表面相同的金屬平板進(jìn)行仿真，從而對比驗證超表面的RCS縮減效果。編碼超表面和金屬平板在工作頻段下的1D&3D遠(yuǎn)場方向圖仿真結(jié)果如圖10所示。當(dāng)電磁波垂直入射到1-bit編碼超表面上時，相對于同尺寸的金屬板，編碼超表面可在2 GHz～ 4 GHz頻帶范圍內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)15 dB以上的RCS減縮。

圖10 1D&3D遠(yuǎn)場方向圖對比

4 結(jié)束語

本文提出了一種能覆蓋整個S頻段的低RCS陣列超表面，整個結(jié)構(gòu)由9×9個單元尺寸為50 mm× 50 mm×10 mm的編碼單元組成，超表面陣列總尺寸為450 mm×450 mm×10 mm。本文通過調(diào)控單元上的變?nèi)荻O管改變單元反射系數(shù)，使編碼單元適應(yīng)不同入射波頻率；利用APS-GA算法設(shè)計超表面陣列排布，使電磁散射波能量干涉相消，在整個工作頻段內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)15 dB以上的RCS減縮。

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Design of a S-band coded metasurface with RCS reduction characteristics

LI Yingjia, ZHOU Yunsheng, ZHU Dalong

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Firstly, an electronically controlled 1-bit coding unit covering S-band is designed, and its equivalent circuit analysis and parameter optimization are carried out. The phase difference of the unit is 180° under two working states of 0/1; On this basis, the design of 9×9 metasurface array is completed. By adjusting the bias voltage at both ends of varactor, the working state of each unit is changed to eliminate the interference of reflected electromagnetic wave energy. The simulation results show that the coded metasurface designed in this paper can achieve RCS reduction of more than 15 dB compared with the metal plate of the same size in the range of 2 GHz～4 GHz.

Reflective metasurface; Genetic algorithm; Electronic control coding unit; RCS Reduction

TN972

A

CN11-1780(2022)05-0097-08

10.12347/j.ycyk.20211202001

李英嘉, 周云生, 祝大龍.一種S頻段具有RCS縮減特性的編碼超表面[J]. 遙測遙控, 2022, 43(5): 97–104.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211202001

: LI Yingjia, ZHOU Yunsheng, ZHU Dalong. Design of a S-band coded metasurface with RCS reduction characteristics[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 97–104.

基金項目：北京遙測技術(shù)研究所自研項目“數(shù)字編碼電磁超表面設(shè)計與研制”（4600002762）

2021-12-02

2021-12-29

李英嘉 1997年生，碩士，主要研究方向為精確制導(dǎo)與電子對抗。

周云生 1980年生，博士，研究員，主要研究方向為微波毫米波電路設(shè)計。

祝大龍 1963年生，博士，研究員，主要研究方向為航天與航天電子信息對抗系統(tǒng)裝備研制。

(本文編輯：傅 杰)