一種編碼式寬帶多功能反射屏?

陳巍 高軍?張廣 曹祥玉?楊歡歡 鄭月軍

1)(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

2)(駐765廠軍事代表室,寶雞 721006)

(2016年9月17日收到;2016年11月1日收到修改稿)

一種編碼式寬帶多功能反射屏?

陳巍1)高軍1)?張廣2)曹祥玉1)?楊歡歡1)鄭月軍1)

1)(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

2)(駐765廠軍事代表室,寶雞 721006)

(2016年9月17日收到;2016年11月1日收到修改稿)

提出了一種可控的寬帶多功能反射屏.通過將射頻微機電系統技術與反射屏設計相結合,首先設計了可編碼式工作的單元,該單元具有工作頻帶寬、損耗小、控制簡單的特點.由該單元基于不同編碼矩陣構成的反射屏可以實現不同的功能.文中展示了多功能反射屏的極化旋轉和捷變散射場性能.仿真結果表明:設計的反射屏在8.9—13.2 GHz頻段范圍內極化轉化率高達90%以上,且在8.9—13.1 GHz頻段范圍內可實現10 dB以上的雷達散射截面減縮.實測結果與仿真結果基本一致.

編碼,寬帶,極化旋轉,低雷達散射截面

1 引 言

超材料是由人工微結構周期排列構成的新型電磁媒質[1,2].相比于天然材料,超材料可以實現許多超常規的電磁特性,如負折射、同相反射、完美吸收等[3?8],這使其在許多領域都表現出日新月異的應用前景.近年來,隨著電子對抗技術的不斷發展,雷達隱身技術受到越來越多的重視.而超材料的研究為解決雷達隱身中的難題提供了一條新的技術途徑.

雷達隱身的目標就是改變雷達回波信號特征,減小物體被雷達探測的概率.雷達散射截面(radar cross section,RCS)是表征物體雷達隱身性能的主要指標[9?12].現有利用超材料減縮RCS的方法有很多[13?17],總結起來大致可分為3種.一是改變雷達回波的極化特征,使回波信號轉變為正交極化波,從而實現正交極化隱身.如文獻[13]中設計了一種極化旋轉反射表面,反射波可在5.98—18.84 GHz頻帶內實現50%以上的極化轉換.這種方法對于單極化工作的雷達可實現有效隱身,但并不能很好地應對雙極化工作雷達的探測.利用超材料的吸波特性來減少雷達回波的幅值,是超材料應用于減縮RCS的第二種思路.在文獻[14]中, Landy等提出利用超材料的強諧振特性可以實現幾乎完美吸收電磁波的吸波體.與常見的吸波材料相比,其最突出的優點在于厚度極薄(僅為1/100波長[15]),研究人員隨后提出該吸波體可以應用于物體的隱身設計,并成功展示了良好的RCS減縮效果.需要指出的是,強諧振導致的窄帶工作特性也在一定程度上限制了其推廣應用.超材料應用于RCS減縮的第三種方法是基于波的空間疊加原理,將具有不同反射相位特性的超材料組合在一起,從而實現對散射場的控制.如文獻[16]將具有180?反射相位的理想導體和具有0?反射相位的人工磁導體棋盤拼接,有效抑制了金屬表面法線方向的RCS峰值.文獻[17]將具有不同反射相位的超材料拼接在一起,實現了空間能量的漫散射分布.相比于前兩種RCS減縮方法,這種基于超材料相位特性的RCS減縮方法更加靈活,且散射場可控,其應用前景非常廣闊.但目前的研究大多仍是針對性能固定的反射屏.尤其是隨著新一代捷變雷達技術的發展,性能單一、工作帶寬窄等問題極大地限制了這些反射屏的應用.

2014 年,Cui等[18]提出了編碼超材料的概念,并成功展示了針對相位編碼的超材料.這種編碼的概念不僅豐富了超材料的描述方式,也為實現功能多樣、可智能工作的超材料提供了一條有效途徑.針對常見超材料頻帶窄、性能單一的問題,本文將新型微機電系統(m icro-electromechanical system, MEMS)技術與槽線結構的場分布特點相結合,并基于編碼概念,設計了一種可控的寬帶多功能反射屏.理論仿真和實際測試結果均表明:在8.5—13.5 GHz,該反射屏可動態調整散射雷達波的極化或波束形狀,這使其在智能隱身應用中具有非常廣闊的前景.

2 編碼式反射單元及工作原理

本文提出的編碼式反射型單元結構如圖1(a)所示.介質上表面印刷有方形金屬貼片,下表面是刻蝕準十字形縫隙的金屬層,金屬層的下方為完整的金屬底板,兩者中間由厚2.8 mm的空氣層隔開.如圖1(b),為了獲得動態可調的反射特性,縫隙上對稱地集成兩個射頻MEMS開關.優化后的結構參數為:p=12 mm,a=6 mm,h1=2 mm, h2=2.8mm,l=11.2mm,w=0.34mm.介質材料為厚2mm的聚四氟乙烯,介電常數2.65,損耗角正切0.001.

本文采用的射頻MEMS開關,其實物放大示于圖2(a),相比于常用的PIN二極管開關,它具有插入損耗小、功耗低、尺寸小等優點[19,20].仿真中,采用圖2(b)和圖2(c)所示的兩種結構模擬其導通和斷開的兩種工作狀態.對于圖1所示的單元,工作時,控制兩個MEMS開關交替地處于導通或截止狀態,對應的兩種單元特性可以用“0”或“1”表示.為了具體說明單元的工作原理,圖3給出了當平面波沿+y方向入射時單元在兩種工作狀態下的電場分布.如圖3(a),對于“0”狀態,MEMS1導通,MEMS2斷開,根據槽線的結構特點,此時反射波電場沿?x方向;同理,對于“1”狀態,反射波電場沿+x方向.綜上可知,在同一入射波照射情況下,從極化方面來看,所提單元通過射頻MEMS開關實現了對反射波極化方向的控制;而就相位方面而言,所提單元兩種工作狀態的反射波相位相差180?.

圖1 (網刊彩色)編碼式反射單元 (a)三維結構;(b)集成有MEMS開關的刻蝕金屬層Fig.1.(color on line)Coding refl ective unit cell:(a)Tree-d im ensional structure of unit cell;(b)m etal layer integrated w ith MEM S sw itch.

圖2 (網刊彩色)MEMS (a)實物圖;(b)MEMS導通;(c)M EMS截止Fig.2.(color on line)MEMS:(a)Photograph of MEMS;(b)MEMS operation state is in“ON”;(c)MEMS operation state is in“OFF”.

圖3 (網刊彩色)兩種工作狀態下單元的電場分布 (a)“0”狀態;(b)“1”狀態Fig.3.(color on line)E lectric-field d istribu tion of the unit cell under two operation states:(a)“0”state;(b)“1”state.

3 編碼式多功能反射屏仿真分析

3.1 極化旋轉反射屏

采用Ansoft HFSS 14.0對圖1所示的單元結構進行仿真.利用Floquet端口和周期性邊界模擬無限大陣列.定義rxx=|Erx/Eix|,rxy= |Ery/Eix|,ryx=|Erx/Eiy|,ryy=|Ery/Eiy|分別表示x到x極化、x到y極化、y到x極化、y到 y極化的反射系數.其中下標i,r分別表示入射波和反射波.則x到y的極化轉化率可表示為PCR=r2xy/(r2xx+r2xy)[21].圖4給出了“0”,“1”單元的極化轉化率和反射相位.可以看到,在8.9—13.2 GHz,“0”和“1”單元的交叉極化反射系數基本大于0.948,10.1GHz頻域附近最低為0.941.極化轉化率基本大于0.9,且兩單元的交叉極化反射相位差為180?,同極化反射相位基本相同.

圖4 (網刊彩色)周期單元仿真結果 (a)反射系數;(b)極化轉化率;(c)交叉極化反射相位;(d)同極化反射相位Fig.4.(color on line)Sim u lation resu lts of period ic unit cell:(a)Refl ection coeffi cient;(b)polarization conversion ratio;(c)cross-polarization refl ection phase;(d)co-polarization refl ection phase.

3.2 低RCS反射屏

利用單元“0”,“1”工作狀態的交叉極化反射相位差為180?的特點,結合不同的編碼組合,可以實現不同散射波束形狀的超表面.為了抑制普通金屬板的法向強散射,本文提出兩種排布方式驗證反射屏的功能.

3.2.1 棋盤式低RCS反射屏

圖5給出了棋盤式低RCS反射屏的結構示意圖.其總反射場可表示為

(1)式中AF0,AF1分別表示單元“0”和單元“1”的陣因子[6].不妨假設棋盤結構總面積為1,那么對于2×2元陣列,AF0,AF1可以表示為

其中,m=sinθcosφ,n=sinθsinφ,θ和φ分別為入射波與z軸和x軸的夾角,k=2π/λ,d為單元“0”和單元“1”的中心間距.當電磁波垂直入射時,即θ=0?,φ=0?,有AF0=AF1=1/2.

E0和E1分別代表單元“0”和單元“1”的反射場.與文獻[17]中單元反射幅度為1不同的是,所設計的編碼式單元具有極化旋轉特性,反射場幅度與極化反射系數有關.因此,對于垂直入射場Ei,當入射波極化沿x方向時,反射場E0和E1可分別展開為

對于由所提單元組成的棋盤式反射屏,根據圖4的仿真結果,單元工作在“0”,“1”狀態的同極化、交叉極化反射系數分別相等,交叉極化反射相位相差180?,同極化反射相位一致.因此,其反射場為

即棋盤式反射屏的反射場大小為|Er|=rxx|Ei|.而對于理想的金屬平板,同極化反射系數為1,交叉極化反射系數為0,所以金屬平板反射場大小為為確保棋盤式反射屏與金屬平板相比,RCS減縮量達10 dB以上,則必須滿足

將金屬平板與棋盤式反射屏的反射場代入(5)式,進一步推導可得

當入射波極化沿y方向時,推導過程與x極化波相似,結論相同.需要指出的是(6)式僅適用于棋盤式低RCS反射屏法線方向的RCS減縮.

圖5 (網刊彩色)棋盤結構示意圖Fig.5.(color online)chessboard structure.

為驗證上述推導,對24×24單元構成的反射屏進行仿真,每4個單元構成一個元胞,以確保一定的周期性,并用一個“0”或“1”表示,則整個反射屏的編碼矩陣如圖6(a)所示.圖6(b)給出了仿真得到的反射屏法線方向的RCS減縮量,可以看到,棋盤式編碼反射屏對不同極化入射波的RCS減縮效果相同,且在8.9—13.1 GHz頻段范圍內,反射屏的RCS較同樣大小的金屬板幾乎都有10 dB以上減縮量,在10.1 GHz附近RCS減縮值最小約為9.2 dB,這是因為在10.1 GHz頻域附近兩單元的交叉極化反射系數約為0.941,小于0.948.這一結果表明(6)式的結論和圖4(a)的仿真結果一致,從而證實了理論推導.

圖6 (網刊彩色)棋盤式編碼反射屏仿真 (a)棋盤編碼矩陣;(b)法向RCS減縮量;(c)金屬平板在11 GHz處雙站RCS三維圖;(d)棋盤反射屏在11 GHz處雙站RCS三維圖Fig.6.(color on line)Sim u lation of chessboard cod ing refl ective su rface:(a)Chessboard cod ing m atrix; (b)RCS reduction for norm ally incident waves;(c)three-d im ensional bistatic RCS of the m etal p lane at 11 GHz;(d)th ree-d im ensional bistatic RCS of the chessboard cod ing refl ective su rface at 11 GHz.

3.2.2 隨機分布低RCS反射屏

對比圖6(c)與圖6(d)中同等尺寸金屬平板與棋盤式反射屏的雙站散射方向圖可以發現,RCS在反射屏法線方向上有明顯減縮,但在四個對角線方向出現了明顯的峰值.為了減小反射屏被雙站雷達探測的可能性,應使散射能量在整個空間盡可能平均分布.為此,采用遺傳算法[22]對反射屏的編碼矩陣進行優化,目標函數設定為使整個空間散射場的最大值最小化[22],優化后得到了圖7(a)所示的隨機編碼矩陣.圖7(b)給出了相同尺寸下金屬平板及隨機編碼反射屏的法向單站RCS對比.與棋盤式編碼反射屏不同,該反射屏對不同極化入射波的RCS減縮效果略有不同,分析認為其原因是隨機編碼矩陣不對稱.圖7(c)給出的是11 GHz處隨機編碼反射屏的散射方向圖,圖7(d)對比了隨機編碼反射屏與金屬平板以及棋盤式編碼反射屏在11 GHz處φ=45?平面的雙站RCS.顯然,相比于棋盤式編碼設計,反射屏對角線方向上的強散射能量經隨機優化編碼后得到有效的抑制,整個空間能量分配更加均勻.上述結果驗證了設計反射屏的寬帶RCS減縮效果及散射場的動態可調特性.

4 實測驗證與分析

為證實可控反射屏的多功能特性,實際制作了4個固定的反射屏樣品,每個樣品均含有24×24個單元,其對應的編碼矩陣分別為全“0”編碼,全“1”編碼及圖6(a)和圖7(a)所示的棋盤編碼和隨機編碼.在微波暗室中,利用空間波法[23]對4個樣品分別進行測試.圖8給出了反射屏樣品實物及實測配置,利用一個標準喇叭天線發射電磁波,另一個標準喇叭天線接收經反射屏反射的電磁波,兩個喇叭天線分別連接到Agilent N5230C矢量網絡分析儀的兩個端口.極化測試中,其中一個喇叭為垂直極化,另一個為水平極化,而RCS測試時,兩個喇叭保持同極化.

圖7 (網刊彩色)隨機編碼反射屏仿真 (a)隨機編碼矩陣;(b)法向單站RCS對比;(c)11 GHz處雙站RCS三維圖;(d)11 GHz處φ=45?平面雙站RCS對比Fig.7.(color on line)Sim u lation of random coding refl ective su rface:(a)Random cod ing m atrix;(b)m onostatic RCS com parison for norm ally incidentwaves;(c)three-d im ensionalbistatic RCS at 11 GHz;(d)bistatic RCS com parison ofφ=45?p lane at 11 GHz.

圖8 (網刊彩色)實物制作及測試 (a)反射屏樣品實物圖;(b)實測配置Fig.8.(color on line)Prototype fabrication and m easu rem ent:(a)Photograph of the refl ective surface p rototype;(b)m easu rem ent setup.

圖9對比給出了仿真與實測的結果.從圖9(a)給出的極化轉化率結果可以看到,測試與仿真整體趨勢一致,實測的轉化率較仿真略偏低.分析認為,造成這一偏差的主要因素有制作中樣品的不平整度較大、測試時照射波與樣品之間并非理想垂直等.圖9(b)為仿真和測試的棋盤編碼及隨機編碼反射屏在法線上的RCS減縮量.值得一提的是,由于棋盤編碼的設計目標是使反射屏在法線上散射場最小,而隨機編碼的目標則在于使反射屏在整個空域的散射能量分布更均勻,因此,前者在法線上的RCS減縮效果要好于后者,這與圖9(b)的結果相一致;此外,從圖9(b)還可以看出,仿真與測試的RCS減縮在量值上符合較好,但測試結果相比與仿真結果產生了頻率偏移.通過分析,認為導致兩者之間頻偏的因素包括:樣品的不平整性、加工誤差及系統誤差等.綜上所述,圖9(a)和圖9(b)給出的極化旋轉和RCS減縮結果,進一步證實了提出的編碼式反射屏在寬頻帶內工作特性可動態調控.

圖9 (網刊彩色)實測結果與仿真結果對比 (a)極化轉化率;(b)RCS減縮量Fig.9.(color on line)Com parison of the m easurem ent and sim u lation resu lts:(a)Polarization conversion ratio;(b)RCS reduction.

5 結 論

本文結合射頻MEMS技術提出了一種寬帶可控的極化旋轉單元,并將該單元組成陣列,基于編碼的概念,設計了一種多功能反射屏.所提出的單元中集成兩個MEMS開關,通過控制開關的工作狀態,該單元可在8.5—13.5 GHz頻帶內控制反射波的極化狀態.將單元組成反射屏后,利用其極化可控特性,結合單元編碼,實現反射屏的散射捷變.本文分析了所提單元結構的工作原理,理論推導并驗證了RCS減縮與極化轉化率之間的關系,并仿真分析了捷變散射場特性.采用空間波法對反射屏實物進行了測試,仿真結果和實測結果都證實了編碼反射屏的極化旋轉和RCS減縮功能.本文基于編碼概念,實現了一種寬帶多功能編碼反射屏,對超材料的研究具有一定的借鑒意義.

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PACS:42.70.Qs,41.20.Jb,73.90.+fDOI:10.7498/aps.66.064203

A w ideband cod ing refl ective m etasu rface w ith m u ltip le functionalities?

Chen Wei1)Gao Jun1)?Zhang Guang2)Cao Xiang-Yu1)?Yang Huan-Huan1)Zheng Yue-Jun1)

1)(School of Inform ation and Navigation,A ir Force Engineering University,X i’an 710077,China)
2)(M ilitary Representative Offi ce at No.765 Factory,Baoji 721006,China)
(Received 17 Sep tem ber 2016;revised m anuscript received 1 November 2016)

A controllablew ideband mu ltifunctional reflectivemetasurface is p resented.First of all,a polarization-rotating unit cell is proposed by combingm icro-electrom echanical system(MEMS)technology w ith reflectivem etasurface design.The proposed unit cell is characterized by w ideband,low loss and controllab le p roperties.Each unit cell is integrated w ith two M EMS sw itches.W hen the two sw itches operate in diff erent states,the unit cell show s diff erent responses to p lane wave incidence,and the corresponding working states can be denoted by“0”or“1”.It isworth noting that a 180 degree reflection phase diff erence is generated for the two working states.Then,the p roposed unit cell is periodically arranged to construct a m etasurface.Based on diff erent coding m atrixes,mu ltip le functionalities can be obtained by using the proposed m etasurface.W hen all the unit cells are controlled to operate in on-or off-state,polarization-rotating function is obtained.Besides,the agility scattering field performance is also presented by using“chessboard”and“random”codings.A series of equations is derived to reveal the relationship between reflection coeffi cient of the unit cell and radar cross section(RCS)reduction of the chessboard reflective surface,which is also verified by full-wave simulations.Finally, four prototypes consisting of 576-cells,which correspond to the“all 0”,“all 1”,“chessboard”and“random”coding,are fabricated and m easured.Them easured results dem onstrate that the p roposed reflectivem etasurface shows polarizationrotating performance in a frequency range of 8.9–13.2GHz when all unit cells operate in“0”or“1”state.Themeasured resu lts of the“chessboard”and“random”coding m etasurface m anifest rem arkab le RCS reduction com pared w ith the sam e size m etal p lane.Good agreem ent between simulations and m easurem ents is obtained.Ow ing to the ability to control polarization and beam shape of the reflected wave dynam ically,the proposed reflectivemetasurface has potential app lications in the field of intelligent stealth.

coding,w ideband,polarization rotating,low radar cross section

10.7498/aps.66.064203

?國家自然科學基金(批準號:61271100,61471389,61501494,61671464)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:g jgj9694@163.com

?通信作者.E-m ail:xiangyucaokdy@163.com

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.61271100,61471389,61501494, 61671464).

?Corresponding author.E-m ail:gjgj9694@163.com

?Corresponding au thor.E-m ail:xiangyucaokdy@163.com