商婷婷，趙 敏，趙建平，徐 娟

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引言

雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）的縮減，可以通過(guò)將后向散射波漫反射重新定向到不同的方向來(lái)獲得。2007 年，Paquay 等人提出了一種新的方法，使用以棋盤(pán)狀形式形成的完美電導(dǎo)體（Perfect Electric Conductor，PEC）和人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）單元的組合來(lái)減少RCS[1]。該方法中，由于AMC 和PEC 單元的相位抵消特性，有效降低了后向散射能量被。為了提高PEC 單元的帶寬，將其中的一個(gè)單元用另一個(gè)AMC 單元取代。具有不同諧振頻率的兩個(gè)AMC單元的組合導(dǎo)致在寬帶中產(chǎn)生180°相位差，從而增加帶寬，降低RCS[2-3]。雖然以上方法可以有效使目標(biāo)RCS 降低并提高帶寬，但結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。。

目前，縮減RCS 的有效技術(shù)是利用電磁波的極化特性，通過(guò)交叉極化轉(zhuǎn)換產(chǎn)生相位差，實(shí)現(xiàn)散射分量相消[4]。本文設(shè)計(jì)了一款高性能極化轉(zhuǎn)化超表面單元，通過(guò)單元與鏡像單元實(shí)現(xiàn)交叉極化分量相消，利用不同尺寸的極化轉(zhuǎn)化單元實(shí)現(xiàn)共極化分量相消，且采用交叉式排列更有效地縮減了RCS。

1 極化轉(zhuǎn)化超表面的基本理論

將x、y直角坐標(biāo)系沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)135°得到u、v直角坐標(biāo)系，極化轉(zhuǎn)化超表面的工作原理將以u(píng)、v直角坐標(biāo)系為例進(jìn)行闡明。假設(shè)以沿-z方向傳播的x極化入射波為例，當(dāng)入射波垂直入射到超表面單元的結(jié)構(gòu)層時(shí)，入射波電場(chǎng)將分別沿u、v軸作正交分解。入射電場(chǎng)為：

入射電磁波經(jīng)極化轉(zhuǎn)化超表面反射后，反射電場(chǎng)為：

引入反射系數(shù)，則反射電場(chǎng)為：

在不考慮入射波被吸收或者被損耗的情況下，由于金屬地板的全反射特性，可近似認(rèn)為反射系數(shù)的絕對(duì)值等于1。由于各向異性作用，當(dāng)超表面單元結(jié)構(gòu)發(fā)生磁諧振時(shí)，材料的磁導(dǎo)率μ將趨于無(wú)窮大，介電常數(shù)ε基本保持不變，則材料表面的阻抗將無(wú)窮大，超表面單元結(jié)構(gòu)可以等效為高阻抗表面，反射相位為0°。但是，這種情況存在一定的理想性，材料的磁導(dǎo)率并不會(huì)變化很大。由于金屬地板的全反射特性，因此反射相位為180°，之間的相位差也就是180°[6-7]。當(dāng)電磁波分別以u(píng)極化和v極化方式入射時(shí)，反射電場(chǎng)的方向?qū)⒀貀軸方向，實(shí)現(xiàn)了x極化入射波轉(zhuǎn)為y 極化反射波。

2 單元設(shè)計(jì)

基于上述極化轉(zhuǎn)化超表面的基本理論，提出了一款極化轉(zhuǎn)化超表面單元如圖1 所示。單元結(jié)構(gòu)包括3 層，由下到上依次為金屬地板、介質(zhì)基板和結(jié)構(gòu)層，具體參數(shù)如表1 所示。介質(zhì)板采用Rogers 5880 的基板，相對(duì)介電常數(shù)為2.2，損耗正切角為0.000 9。單元通過(guò)改變角度theta的大小，得到兩種極化轉(zhuǎn)化超表面單元（單元1、單元2）。將這兩種單元分別進(jìn)行鏡像操作，可以得到對(duì)應(yīng)的鏡像單元。圖2 為極化轉(zhuǎn)化單元的鏡像單元。

圖1 極化轉(zhuǎn)化超表面單元

表1 極化轉(zhuǎn)化超表面單元的具體參數(shù)

圖2 極化轉(zhuǎn)化超表面鏡像單元

為了分析極化轉(zhuǎn)化單元的散射特性，通過(guò)商業(yè)仿真軟件HFSS13 對(duì)單元進(jìn)行仿真與優(yōu)化。以theta=70°的極化轉(zhuǎn)化單元1 為例，當(dāng)垂直入射的平面波p沿x方向極化時(shí)，根據(jù)極化轉(zhuǎn)換的原理，散射波會(huì)被轉(zhuǎn)換到y(tǒng)方向極化。定義極化轉(zhuǎn)換率（Polarization Conversion Rate，PCR）為[8]：

由于基本單元和其鏡像單元具有相同的極化轉(zhuǎn)化率，因此圖3 給出了極化轉(zhuǎn)化超表面單元1 和單元2 的極化轉(zhuǎn)化率曲線。

圖3 極化轉(zhuǎn)化超表面單元結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)化率

圖4 給出了基本單元和其鏡像單元的交叉極化散射分量相位之間的關(guān)系。單元1 和單元2 分別和它們的鏡像單元在整個(gè)頻段內(nèi)交叉極化散射分量相位差始終為180°，實(shí)現(xiàn)交叉極化散射分量相消。

圖4 交叉極化散射分量相位差

圖5 則給出了極化轉(zhuǎn)化超表面單元1 和單元2之間的共極化反射相位之間的關(guān)系。在12.5～19.5 GHz 范圍內(nèi)，單元之間的共極化反射相位差保持在180°，實(shí)現(xiàn)單元之間共極化散射分量反向相消。

圖5 共極化反射相位差

3 超表面陣列排布

3.1 棋盤(pán)式排列

基于上述極化轉(zhuǎn)化單元的特性，將兩種尺寸的單元構(gòu)成了傳統(tǒng)的棋盤(pán)式排列。圖6 采用了12×12的極化轉(zhuǎn)化單元來(lái)構(gòu)造超表面陣列。

圖6 極化轉(zhuǎn)化超表面棋盤(pán)式排列結(jié)構(gòu)

采用等大的普通金屬板與棋盤(pán)式排列進(jìn)行對(duì)比RCS 縮減，如圖7 所示。在5～25 GHz 頻段內(nèi)，棋盤(pán)式排列的RCS 值要明顯低于普通金屬板的RCS 值。

圖7 在5～25 GHz 頻段內(nèi)的RCS 特性

在諧振頻率15 GHz、phi=0°處，圖8 為棋盤(pán)式排列超表面將垂直方向散射波束分為了兩束波束。

圖8 在頻率為15 GHz、phi=0°處RCS 特性

為了更直觀地觀察超表面的散射能量分布情況，圖9 給出了金屬板和棋盤(pán)式排列在諧振頻率15 GHz處的3D 散射特性圖?？梢钥吹?，RCS 在垂直方向有顯著減縮。同時(shí)，伴隨著兩束傾斜波束的出現(xiàn)，垂直方向的RCS 縮減是基于能量重新輻射到其他方向。

圖9 入射波垂直照射下，在15 GHz 處的3-D 散射場(chǎng)

3.2 交叉式排列

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的棋盤(pán)式排列的超表面仿真分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)單元的排列數(shù)量會(huì)影響RCS 的縮減情況。將原來(lái)每種單元6×6 排列減少到4×4，為了能與傳統(tǒng)的棋盤(pán)式排列的超表面進(jìn)行對(duì)比，保持口徑大小不變，單元的排列按照上述分析的極化轉(zhuǎn)化單元特性進(jìn)行分布排列。圖10 是進(jìn)行重新排列后的超表面交叉式排列結(jié)構(gòu)。

采用同口徑的棋盤(pán)式排列與交叉式排列進(jìn)行對(duì)比RCS 縮減，如圖11 所示。在5～25 GHz 頻段內(nèi)，兩種排列方式的RCS 縮減情況基本保持一致。如圖12 所示，在諧振頻率15 GHz、phi=0°處，交叉式排列超表面的RCS 值要明顯低于棋盤(pán)式排列超表面的RCS 值，大約降低了5 dB。為了更直觀地觀察交叉式排列超表面的散射能量分布和RCS 縮減的情況，圖13 給出了交叉式排列和棋盤(pán)式排列在頻率為15 GHz 處的3D 散射特性圖。從圖13 可以看到，RCS 在垂直方向有顯著減縮，同時(shí)伴隨著多個(gè)波束的出現(xiàn)。也就是說(shuō)，垂直方向附近的RCS 值縮減是基于能量重新輻射到其他方向。

圖10 極化轉(zhuǎn)化超表面交叉式排列結(jié)構(gòu)

圖11 在5～25 GHz 頻段內(nèi)的RCS 特性

圖12 在頻率為15 GHz 處RCS 特性（phi=0°）

圖13 入射波垂直照射下，在15 GHz 處的3-D 散射場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款極化轉(zhuǎn)化超表面單元。通過(guò)極化轉(zhuǎn)化單元與其鏡像單元交叉極化相位差為180°，實(shí)現(xiàn)了交叉極化分量相消；利用不同尺寸的極化轉(zhuǎn)化單元存在共極化相位差為180°，實(shí)現(xiàn)了共極化分量相消。仿真結(jié)果表明，將極化轉(zhuǎn)化單元和其鏡像單元采用交叉式排列，后向散射波可被分為多個(gè)波束，也就是將垂直方向的能量盡可能重新輻射到其他方向，實(shí)現(xiàn)后向RCS 的縮減。