周仕浩 房欣宇 李猛猛 俞葉峰 陳如山

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院, 南京 210094)

1 引 言

頻率選擇表面(FSS)因其在天線罩、吸波器、電磁濾波器、人工電磁帶隙材料等方面的廣泛應(yīng)用而引起人們極大的研究興趣[1?6]. 基于FSS的吸波器, 由于在雷達(dá)散射截面(RCS)縮減等[6?12]軍事應(yīng)用方面的潛力, 獲得了極大的關(guān)注和發(fā)展.

為了實現(xiàn)多功能的FSS, 可重構(gòu)的特性和技術(shù)得到了廣泛研究[13]. 獲得多功能可重構(gòu)FSS主要有三種方法: 可重構(gòu)FSS單元、可重構(gòu)陣列、可重構(gòu)單元與陣列的組合. 在許多工作中, 為了獲得可重構(gòu)的FSS, 在單元中嵌入了PIN二極管等開關(guān)元件. 文獻(xiàn)[14]中, 通過切換二極管的偏置狀態(tài)來調(diào)節(jié)單元上的場分布, 可以獲得兩個相鄰的完全吸收點. 文獻(xiàn)[15]中, 介紹了一種可切換的反射器和吸波器結(jié)構(gòu), 通過一對偏置線調(diào)節(jié)嵌入的二極管開關(guān)狀態(tài), 使得FSS具有反射和吸收的可重構(gòu)特性.文獻(xiàn)[16]中, 介紹了一種L頻段的可重構(gòu)極化不敏感FSS吸波器, 通過對周圍的四個PIN二極管進(jìn)行“開/關(guān)”調(diào)控實現(xiàn)其可重構(gòu)特性. 文獻(xiàn)[6]中,介紹了一種雙頻段極化不敏感的可重構(gòu)FSS吸波器, 該吸波器的單元由嵌有PIN二極管的環(huán)型貼片和十字型貼片組成, 通過通斷二極管可獨立實現(xiàn)雙頻段的吸收. 文獻(xiàn)[17]中, 設(shè)計了一種工作在超高頻段(UHF)的可重構(gòu)FSS吸波器, 通過控制偏置電壓可以調(diào)節(jié)吸波頻點的位置.

在可重構(gòu)FSS陣列的設(shè)計中, 可以通過改變襯底的等效介電常數(shù)來設(shè)計FSS陣列[18,19]. 可重構(gòu)陣列的設(shè)計還可以通過優(yōu)化單元的狀態(tài)來實現(xiàn),文獻(xiàn)[14]中的FSS使用了簡單的線型單元和交叉偶極單元, 單元中嵌入了相互連接的開關(guān). 然后利用遺傳算法對FSS陣列的“開/關(guān)”狀態(tài)矩陣進(jìn)行優(yōu)化. 利用所提出的算法, 從數(shù)值計算上表明這些可重構(gòu)的FSS可以達(dá)到目標(biāo)頻率響應(yīng).

最近, 崔鐵軍院士團(tuán)隊[20]提出了一種新型的數(shù)字編碼超表面, 它通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)對單元的“開/關(guān)”狀態(tài)進(jìn)行編碼, 從而實時調(diào)控單元的 0 /π 反射相位, 實現(xiàn)超表面散射場的自由調(diào)控.對相位差為 π 的兩種單元, 進(jìn)行棋盤型或者隨機(jī)排布[21], 實現(xiàn)反射波相消[22]或漫反射[23], 達(dá)到RCS縮減的目的. 然而, 這些單元是不可重構(gòu)的, 低散射只能通過優(yōu)化單元的排布獲得[22,23]. 最近, 文獻(xiàn)[24]中提出了一種可重構(gòu)的相位梯度超表面, 單元包含三層諧振結(jié)構(gòu), 同層的每一排諧振結(jié)構(gòu)共用偏置線, 控制每一層的偏置電壓獲得相位梯度, 從而設(shè)計出工作在4.4 GHz的低散射天線[25,26].

如文獻(xiàn)[6]中所述, 對于工作在多頻段的FSS陣列, 需要仔細(xì)設(shè)計FSS陣列的偏置網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)實時可切換工作狀態(tài)的單元和陣列. 文獻(xiàn)[27,28]提出了兩種反射陣天線, 天線單元加載了二極管, 由FPGA獨立控制二極管的“開/關(guān)”狀態(tài), 通過1比特編碼陣面相位序列實現(xiàn)波束掃描. 而對于雙頻FSS吸波器, 由于單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 需要控制多個PIN二極管, 因此設(shè)計實時RCS可調(diào)控的偏置網(wǎng)絡(luò)具有一定的挑戰(zhàn)性.

本文提出了一種可重構(gòu)單元與FSS陣列相結(jié)合的設(shè)計方法, 實現(xiàn)了一種雙頻帶RCS實時可調(diào)控的FSS吸波器. 對于可重構(gòu)單元, 通過切換單元通斷狀態(tài), 改變單元諧振頻率, 實現(xiàn)雙頻帶吸波狀態(tài)調(diào)控. 對于可重構(gòu)FSS陣列, 引入了一種新型的偏置網(wǎng)絡(luò), 可以獨立調(diào)控每個PIN二極管的“導(dǎo)通”與“截止”狀態(tài), 實現(xiàn)陣面散射場的實時調(diào)控.利用遺傳算法優(yōu)化FSS陣列上單元“導(dǎo)通”與“截止”編碼狀態(tài)矩陣, 以獲得所需要的散射場. 通過可編程的FPGA對狀態(tài)矩陣的控制, 實現(xiàn)吸波器雙頻帶散射場幅度的調(diào)控. 實驗結(jié)果表明, 陣列RCS在可實現(xiàn)S頻帶33dB、X頻帶26dB的范圍內(nèi)編程調(diào)節(jié). 這項工作對于RCS隱身和偽裝具有重要的意義.

2 基于 FSS 的吸波器設(shè)計

2.1 FSS單元設(shè)計

文中提出的雙頻可重構(gòu)FSS單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示. 采用環(huán)形和彎曲的十字交叉偶極子組合來獲得雙頻帶的吸收特性. 在圓環(huán)上嵌入2個二極管, 在中間的交叉偶極子上嵌入4個二極管, 共有3個通孔與地面下的偏置網(wǎng)絡(luò)相連, 2個在圓環(huán)上,一個在彎曲的十字交叉偶極子中心. 隨著偏置電壓的變化, 6個二極管的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)會改變單元的諧振頻率. 為了減小通孔對諧振的影響, 設(shè)計時使通孔半徑最小, 并將偏置網(wǎng)絡(luò)放置在金屬底板下, 來降低偏置線對散射場的影響. 此外, 值得注意的是, 與每個單元連接的LED有兩方面的用途:首先LED可以指示單元上二極管的狀態(tài), 使測試更容易[27], 其次閃爍的LED具有光學(xué)偽裝的潛力.

圖 1 可重構(gòu) FSS 單元 (a) 俯視圖; (b) 側(cè)視圖Fig. 1. Configuration of the dual-band reconfigurable FSS unit cell: (a) Top view; (b) side view.

如圖1(a)所示, FSS吸波單元的幾何參數(shù)為:a= 25 mm,r= 12.3 mm,w= 1.3 mm,g= 1.2 mm,d= 10.2 mm,c= 11.65 mm,l= 10.2 mm,m=8 mm,p= 1 mm,f= 2.5 mm,e= 5 mm. 介質(zhì)基板選用的是FR4, 其介電常數(shù)為4.4, 及損耗角正切值 tand= 0.02, FSS 單元上層介質(zhì)基板的厚度為3 mm, 下層偏置網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)基板的厚度為0.5 mm.選擇的PIN二極管型號為SMP1340-079 LF, PIN二極管的等效電路模型在其“導(dǎo)通”狀態(tài)時, 等效為RL串聯(lián)電路, 等效參數(shù)值L= 0.45 nH,R= 5 W(3—4 GHz),R= 8 W (10—11 GHz). 在其處于“截止”狀態(tài)時, 等效為LC串聯(lián)電路, 等效參數(shù)值L= 0.45 nH,C= 0.3 pF (3—4 GHz),C= 0.11 pF(10—11 GHz).

表1中列出了FSS吸波單元的狀態(tài), 圓環(huán)和彎曲的十字交叉偶極子共有4種“導(dǎo)通”和“截止”狀態(tài), 通過改變通孔1到通孔4的電壓來實現(xiàn)狀態(tài)的切換, 如圖1(b)所示, 所有通孔都連接到偏置線上. 通過切換單元狀態(tài)實現(xiàn)雙頻帶的可重構(gòu). 在本設(shè)計中, 可重構(gòu)的FSS吸波器主要使用了3和4的狀態(tài), 即圓環(huán)和彎曲的十字交叉偶極子上的PIN二極管只有同時“導(dǎo)通”和“截止”狀態(tài). 對于單元中的圓環(huán), 當(dāng)二極管處于“導(dǎo)通”的狀態(tài)時, 是個閉合的圓環(huán), 而處于“截止”狀態(tài)時, 圓環(huán)被分為4部分, 圓環(huán)的等效電感減小; 對于十字交叉偶極子, “導(dǎo)通”、“截止”狀態(tài)改變了交叉偶極子等效長度. 因此通過二級管工作狀態(tài)的組合, 來改變單元的雙頻帶諧振頻率. 圖2為垂直入射波作用下, 所提出的雙頻可重構(gòu)單元的反射系數(shù). 當(dāng)PIN二極管均處于“截止”狀態(tài)時, 諧振頻率分別為3.9 GHz和10.6 GHz, 垂直入射平面電磁波將被完全吸收,當(dāng)PIN二極管均處于“導(dǎo)通”狀態(tài), 其諧振頻率分別移至 4.6 GHz 和 11 GHz, 在原有兩個頻點會呈現(xiàn)出全反射狀態(tài). 圖 3(a), (b)為二極管全“截止”時 FSS單元表面電流分布情況, 圖3(c), (d)所示為二極管全“導(dǎo)通”時單元表面的電流分布. 可以看出當(dāng)二極管處于全“截止”狀態(tài)時, 3.9 GHz 和10.6 GHz頻率下電流幅值較強(qiáng), 對應(yīng)著FSS吸波狀態(tài)響應(yīng); 當(dāng)二極管處于全“導(dǎo)通”狀態(tài)時, 3.9 GHz和10.6 GHz頻率下電流幅值較弱, 對應(yīng)著FSS反射狀態(tài)的響應(yīng). 如圖 4(a), (b)分別為 3.9 GHz 下 FSS單元全“導(dǎo)通”和全“截止”狀態(tài)下的RCS圖, 在主反射方向上相差 14 dB; 圖 4(c), (d)為 10.6 GHz下FSS單元兩種狀態(tài)的RCS圖, 在主反射方向上相差7 dB, 這表明當(dāng)二極管處于全“截止”狀態(tài)時,單元在所設(shè)計的S與X頻帶具有很好的RCS縮減效果.

表 1 通孔 1, 2, 3, 4 的電壓變化, 可重新配置FSS的吸波器狀態(tài)Table 1. Reconfigurable FSS based absorber unit cell with the change of the voltage of via holes 1, 2,3, and 4.

圖 2 FSS 單元反射系數(shù)的仿真結(jié)果Fig. 2. Simulated reflection coefficients of the proposed dual-band reconfigurable FSS unit cell.

圖 3 單元二極管全“截止”狀態(tài)時表面電流分布 (a) 3.9 GHz, (b) 10.6 GHz; 單元二極管全“導(dǎo)通”狀態(tài)時表面電流分布(c) 3.9 GHz, (d) 10.6 GHzFig. 3. Surface currents distribution of the FSS unit cell with PIN diodes all at “off” states at (a) 3.9 GHz and (b) 10.6 GHz; surface currents distribution of the FSS unit cell with PIN diodes all at “on” states at (c) 3.9 GHz and (d) 10.6 GHz.

圖 4 單元的二極管全“截止”狀態(tài)時頻率為 (a) 3.9 GHz, (c) 10.6 GHz 的 RCS; 單元的二極管全“導(dǎo)通”狀態(tài)時頻率為(b) 3.9 GHz, (d) 10.6 GHz 的 RCSFig. 4. Simulated two-dimensional RCS of the FSS unit cell with PIN diodes all at “off” states at (a) 3.9 GHz and (c) 10.6 GHz;two-dimensional RCS when with PIN diodes all at “on” states at (b) 3.9 GHz and (d) 10.6 GHz.

2.2 可重構(gòu)的FSS吸波器

利用2.1節(jié)中設(shè)計的FSS單元, 設(shè)計了規(guī)模為 20 × 10 的雙頻帶電可調(diào) FSS 陣列. FSS 陣列的尺寸為 500 × 250 mm. 對于每個 FSS 單元, 嵌入6個PIN二極管可實現(xiàn)諧振頻率的可重構(gòu), 結(jié)果陣列總共使用了1200個PIN二極管和800個貼片電感, 其中貼片電感保證圓環(huán)和交叉偶極子間直流電流的導(dǎo)通, 如圖5(a)所示, 對于FSS陣列上面每個單元都可以通過FPGA進(jìn)行編碼. 利用編碼可以獨立切換每個單元的PIN二極管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài), 實現(xiàn)單元吸波與反射的調(diào)控, 陣列的RCS大小可以通過編碼單元的工作狀態(tài)實時調(diào)控.

圖 5 RCS 實時可調(diào)的 FSS 吸波器 (a) 可重構(gòu) FSS 吸波器系統(tǒng)包括 FSS 吸波器, FPGA, 狀態(tài)編碼的 PIN 開關(guān); (b) 偏置網(wǎng)絡(luò)Fig. 5. Reconfigurable FSS absorber with real-time coding RCS: (a) System of the reconfigurable FSS absorber including FSS absorber, programmable FPGA, and coding for the states of switchable PIN diodes, inset is a fabricated unit cell; (b) biasing network for PIN diodes embedded in the meander cross (MC) and angular ring (AR) of the unit cells.

偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計對于可重構(gòu)的FSS吸波器是十分重要的[6,24], 通過偏置網(wǎng)絡(luò)可以控制每個單元上PIN二極管的偏置電壓, 保證每個單元的狀態(tài)都可獨立控制以實現(xiàn)RCS調(diào)控. 圖5(b)顯示了動態(tài)偽裝FSS陣列的偏置網(wǎng)絡(luò). 如圖1(b)和圖5(b)所示, 對于每個FSS單元, 需獨立控制4個通孔的電壓, 才能實現(xiàn)單元不同狀態(tài)間的切換, 因此, 需要通過FPGA配合所設(shè)計的偏置網(wǎng)絡(luò)同時對800個通孔的電壓進(jìn)行調(diào)控, 才能實現(xiàn)陣列上每個單元的獨立控制. 為了降低偏置網(wǎng)絡(luò)以及控制系統(tǒng)的復(fù)雜性, 將 4 個 74 LV4094 PW 8 位移位寄存器級聯(lián)成一個集成芯片, 來控制 8 個 FSS 單元. 這樣, 可以通過25個集成芯片和一個可編程FPGA來控制200個單元的狀態(tài), 從而得到RCS電可調(diào)的FSS陣列,所提的調(diào)節(jié)過程將在下面進(jìn)行詳細(xì)介紹. 此外, 連接到圓環(huán)的LED燈的狀態(tài)與FSS單元的PIN二極管處于全部截止?fàn)顟B(tài)對應(yīng), 這將確保調(diào)試和測試過程更加直觀.

3 結(jié)果與討論

3.1 可重構(gòu)FSS吸波器雙站RCS的仿真

對于FSS吸波器, 獲得期望的RCS大小, 可以通過優(yōu)化陣列上單元的通斷狀態(tài)來實現(xiàn). FSS陣列由M×N個大小相等, 周期為p的超表面單元組成, 當(dāng)平面波垂直入射時, 散射場Etotal可以看作每個基本單元場的疊加[29]:

其中,Em,n(θ,φ) 為周期邊界條件下第 (m,n) 個單元的散射場,φ(m,n) 為單元的反射相位,D是單元的周期,φ和θ是球坐標(biāo)系下的方位角與極化角,k為波數(shù).

由散射場疊加公式可以看出, 通過將兩種不同狀態(tài)的FSS單元進(jìn)行組合, 可以容易地預(yù)測出FSS陣列的散射場. 值得指出的是, PIN二極管處于全部截止?fàn)顟B(tài)時的單元定義為“0”, PIN二極管處于全部導(dǎo)通狀態(tài)時的單元定義為“1”. 然后可以將整個FSS陣列通過二進(jìn)制編碼矩陣表示為

利用遺傳算法對二進(jìn)制編碼矩陣進(jìn)行優(yōu)化, 可得到目標(biāo)的散射場[3,4]. 適應(yīng)度函數(shù)定義為

Etarget(θ,?)是目標(biāo)散射場,E(θ,?) 是由解析公式(1)式求得的散射場. 為了減少全波仿真的計算量,只對1/4的FSS陣列狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化, 利用對稱邊界條件可以有效地對整個FSS陣列進(jìn)行仿真. 因此, 在優(yōu)化過程中只考慮FSS吸波器上1/4的單元(共50個單元).

為了驗證FSS吸波器可通過陣列上編碼單元的狀態(tài)實現(xiàn)可重構(gòu)RCS, 本設(shè)計對主反射方向(q=0°,j= 0°)的散射場進(jìn)行了優(yōu)化. 優(yōu)化目標(biāo)是主反射方向的雙站 RCS. 在 3.8 GHz 時, 來自主反射方向的 RCS 目標(biāo)為 10dB, 5dB, 0dB, 而在 10.5 GHz時, 目標(biāo)為 20dB, 15dB, 5dB. 陣面優(yōu)化結(jié)果的頻點與單元吸收的頻點會有一些偏移, 這主要是因為計算單元是在理想的周期邊界條件下進(jìn)行的, 而陣面中的單元不滿足這種條件. 從圖6和圖7可以看出, 采用全波仿真和解析公式(1)計算得到的FSS吸波器在優(yōu)化后的雙站RCS, 特別是在主反射方向上有很好的一致性, 如圖8所示, 給出了優(yōu)化陣面的RCS, RCS仿真結(jié)果與圖6和圖7中的計算結(jié)果一致, 陣面 RCS 在j= 0°和j= 90°均具有較好的對稱性. 仿真的RCS結(jié)果能夠較好地達(dá)到優(yōu)化目標(biāo), 驗證了本文的優(yōu)化過程的正確性.

3.2 測試結(jié)果與討論

圖 6 在 3.8 GHz 頻率下雙站 RCS 的全波仿真結(jié)果, 當(dāng)優(yōu)化 1/4 陣列的狀態(tài)矩陣時, 主反射方向 ( θ =0?,? =0?) 的 RCS 為 (a) 10dB,(b) 5dB, (c) 0dB, (d) 1/4 陣列的優(yōu)化狀態(tài)Fig. 6. Full-wave and analytical method simulated bistatic RCS of the reconfigurable FSS absorber at 3.8 GHz. The RCS is manipulated to be (a) 10dB, (b) 5dB, and (c) 0dB at the main reflection direction ( θ =0?,? =0?) , when optimizing the states matrices as in (d) of the unit cells of a quarter of the screen.

圖 7 在10.5 GHz 頻率下雙站RCS 的全波仿真結(jié)果, 當(dāng)優(yōu)化 1/4 陣列的狀態(tài)矩陣時, 主反射方向 ( θ =0?,? =0?) 的RCS 為 (a) 20dB,(b) 15dB, (c) 10dB, (d) 1/4 陣列的優(yōu)化狀態(tài)Fig. 7. Full-wave and analytical method simulated bistatic RCS of the reconfigurable FSS absorber at 10.5 GHz. The RCS is manipulated to be (a) 20dB (b) 15dB, and (c) 10dB at the main reflection direction ( θ =0?,? =0?) , when optimizing the states matrices as in (d) of the unit cells of a quarter of the screen.

20 × 10的FSS陣列樣件實物測試圖如圖9(a)所示, 收發(fā)喇叭天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連, 用來測量FSS吸波器的單站RCS. 如圖9(b)所示, 為了保證測試結(jié)果不失一般性, 選擇了FSS陣列呈全部截止?fàn)顟B(tài), 3/4的FSS陣列呈截止?fàn)顟B(tài), 1/2的FSS陣列呈截止?fàn)顟B(tài), 1/4的FSS陣列呈截止?fàn)顟B(tài), 以及FSS陣列呈全部導(dǎo)通狀態(tài)這五種排布方式進(jìn)行測試. 在 2.9—3.7 GHz 和 9.7—11.1 GHz頻帶測量的單站RCS. 如圖10所示當(dāng)所有的單元都處于“1”狀態(tài)時, 其最大反射性能與導(dǎo)體平面相似, 而隨著處于“0”狀態(tài)的單元數(shù)量的增加, RCS逐漸減小. 在 3.2 和 10.3 GHz 下, 通過 FPGA 控制導(dǎo)通/截斷兩種單元所占比例, 在3.2和10.3 GHz處, FSS陣列的單站RCS呈現(xiàn)一個動態(tài)浮動的狀態(tài), 浮動范圍在分別在 33 dB 和 26 dB 左右.

圖 8 雙站 RCS 全波仿真結(jié)果. 當(dāng)優(yōu)化 1/4 陣列的狀態(tài)矩陣時, 主反射方向 ( θ =0?,? =0?) 的 RCS 在 3.8 GHz 頻率下為 (a) 10 dB,(b) 5 dB, (c) 0 dB; 在 10.5 GHz 頻率下為 (d) 20 dB, (e) 15 dB, (f) 10 dBFig. 8. Full-wave simulated two-dimensional RCS of the reconfigurable FSS absorber. The RCS from the main reflection direction(θ =0?,? =0?) is optimized to be (a) 10 dB, (b) 5 dB, and (c) 0 dB at 3.8 GHz; the RCS is optimized to be (d) 20 dB, (e) 15 dB,and (f) 10 dB at 10.5 GHz.

圖 9 雙頻可重構(gòu) FSS 波收器的測量 (a) 單站 RCS 的測量設(shè)置; (b) 圖 7 中測量的 FSS 陣列的 4 種狀態(tài)Fig. 9. Measurement of the proposed dual-band reconfigurable FSS absorber: (a) Measurement setup for the monostatic RCS;(b) four states of the FSS screen measured in Fig. 7.

圖 10 (a) 2.9—3.7 GHz, (b) 9.7—11.1 GHz 范圍內(nèi) FSS 吸波器單站 RCS 測量值, 可調(diào)節(jié) RCS 范圍分別為 33dB 和 26dB.Fig. 10. Measured monostatic RCS of the FSS absorber within (a) 2.9 to 3.7 GHz and (b) 9.7 to 11.1 GHz, ranges of 33dB and 26dB tunable RCS are obtained.

表2列出了本文中的設(shè)計與其他論文中提出的FSS吸波器的性能比較. FSS陣列上所有的單元處于“0”的狀態(tài) (3.2 和 10.3 GHz)和“1”的狀態(tài)(4.8 和 11.0 GHz), 吸收峰會有變化. 可重構(gòu) FSS吸波器可進(jìn)一步通過優(yōu)化狀態(tài)矩陣的單元狀態(tài)來實現(xiàn)更好的實時調(diào)控RCS. 文中提出的吸波器的厚度相對于其他工作中的要厚一些, 這是由于在FSS的金屬底板下外加偏置網(wǎng)絡(luò)所造成的.

表 2 與現(xiàn)有可重構(gòu)基于FSS的吸波器的比較Table 2. Lists of the comparison with existing published reconfigurable FSS based absorber.

4 結(jié) 論

本文中, 提出了一種具有實時調(diào)控RCS功能的FSS吸波器. 設(shè)計了加載二極管的雙頻帶可調(diào)單元, 通過切換二極管工作狀態(tài), 改變單元的諧振點, 實現(xiàn)雙頻帶吸波狀態(tài)調(diào)控. 通過優(yōu)化FSS陣列上每個單元的狀態(tài), 可以實時控制FSS吸波器的散射場. 在 3.2 GHz 和 10.3 GHz 下, 通過編碼 FSS陣列上單元的狀態(tài), 實現(xiàn)了33dB和25dB變化范圍的單站RCS. 全波仿真和解析算法都證明了所提優(yōu)化方法的有效性. 與其他文獻(xiàn)報道的FSS吸波器相比, 性能良好, 驗證了本設(shè)計的正確性.