電磁超表面在微波和太赫茲波段雷達(dá)散射截面縮減中的應(yīng)用研究進(jìn)展

閆 昕，梁蘭菊*，張雅婷，丁 欣，姚建銓*

1. 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072 2. 棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院, 山東 棗莊 277160

電磁超表面在微波和太赫茲波段雷達(dá)散射截面縮減中的應(yīng)用研究進(jìn)展

閆 昕1, 2，梁蘭菊1, 2*，張雅婷1，丁 欣1，姚建銓1*

1. 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072 2. 棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院, 山東 棗莊 277160

電磁超表面由于其獨(dú)特的電磁特性為調(diào)控電磁波提供了有力工具，合適地設(shè)計(jì)成編碼、隨機(jī)、相位不連續(xù)、完美吸收器等超表面，就能夠控制電磁波的散射以及反射特性，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面的縮減。本文綜述了不同的電磁超表面利用漫反射或者吸收等特性實(shí)現(xiàn)在微波和太赫茲波段雷達(dá)散射截面縮減中的應(yīng)用。分析表明，編碼超表面由不同的數(shù)字單元組成，其反射相位差在很寬的頻段范圍內(nèi)滿足恒定的關(guān)系，設(shè)計(jì)特殊的單元序列使入射的電磁波產(chǎn)生非定向散射，更高bit編碼超表面更容易靈活調(diào)控電磁波； 隨機(jī)超表面通過調(diào)節(jié)陣元的尺寸實(shí)現(xiàn)寬帶移相從而將金屬目標(biāo)特征性強(qiáng)的反射峰打散成一個(gè)無規(guī)律、雜亂的波，產(chǎn)生漫反射； 不連續(xù)超表面由于相位不連續(xù)可使電磁波發(fā)生漫反射或者異常反射； 吸收器通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)現(xiàn)吸收電磁波能量來減小反射。因此電磁超表面在雷達(dá)隱身、寬帶通訊、成像等方面具有重要的應(yīng)用前景。最后對電磁超表面在雷達(dá)散射截面縮減中應(yīng)用的發(fā)展趨勢進(jìn)行了初步探討，未來將向著寬帶、柔性、大角度等方面發(fā)展。

電磁超表面； 雷達(dá)散射截面； 編碼； 隨機(jī)； 相位不連續(xù)； 吸收器

引 言

在電磁波操控器件中，電磁超表面是很有潛力的候選之一[1-3]。調(diào)控電磁波散射、反射特性在成像、濾波等方面具有非常重要的意義，特別是在軍事方面[4-6]。電磁超表面在軍事領(lǐng)域的重要性體現(xiàn)在降低雷達(dá)散射截面，達(dá)到電磁隱身目的[7-8]。隨著現(xiàn)代科技和武器裝備的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的吸波材料已經(jīng)很難滿足國防技術(shù)發(fā)展的需求。近年來，電磁超表面由于其獨(dú)特的電磁響應(yīng)特性得到了世界各國研究者的廣泛關(guān)注，利用該表面實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面縮減取得了長足的發(fā)展[9-14]。

基于編碼、隨機(jī)、相位不連續(xù)、完美吸收器等不同的電磁超表面在微波和太赫茲波段的研究最新進(jìn)展，分類介紹了這些超表面利用非定向散射或者完美吸收特性實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面的減小。研究表明，不同的電磁超表面都能調(diào)控電磁波的散射或者反射特性，實(shí)現(xiàn)漫反射或者異常反射。最后對電磁超表面在雷達(dá)散射截面縮減的發(fā)展趨勢進(jìn)行了初步探討。

1 雷達(dá)散射截面(Radar cross section)

表示目標(biāo)特征信號的物理量主要有雷達(dá)散射截面、紅外輻射強(qiáng)度、光學(xué)可見度等。對于雷達(dá)散射截面(radar cross section，為RCS)[8]，它是表征目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的一種物理量。RCS的定義為

(1)

該式中，Ei是照射到目標(biāo)上的入射波電場強(qiáng)度，Es是雷達(dá)目標(biāo)散射波電場強(qiáng)度，R為雷達(dá)到目標(biāo)散射體的距離。在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)散射截面通常以對數(shù)形式dBsm表示，即

(2)

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)越小，表示雷達(dá)接收的回波能量越小，從而達(dá)到隱身目的。

目前為止，利用電磁超表面實(shí)現(xiàn)RCS縮減主要由以下實(shí)現(xiàn)途徑： (1)基于光學(xué)變換理論，實(shí)現(xiàn)對電磁波傳輸?shù)目刂疲?(2)實(shí)現(xiàn)對入射電磁波的完美吸收; (3)實(shí)現(xiàn)電磁波的非定向性散射特性。本論文主要介紹后兩種途徑實(shí)現(xiàn)RCS縮減的最新進(jìn)展。

2 非定向散射特性實(shí)現(xiàn)RCS的縮減

2.1 編碼電磁超表面

編碼電磁超表面，主要分為1，2，3bit等編碼組成。不同的編碼由不同的數(shù)字單元組成，它們之間的反射相位差在很寬的頻段范圍內(nèi)滿足恒定的關(guān)系。1bit編碼超表面，為相位差為180°的“0”和“1”數(shù)字單元組成。 2bit編碼超表面，為“00”, “01”, “10”與“11”數(shù)字單元組成，其相鄰的單元相位差為90°。這種關(guān)系依次類推到更高bit編碼超表面。該超表面實(shí)現(xiàn)RCS的縮減主要由不同數(shù)字單元的序列實(shí)現(xiàn)。該表面是把入射的電磁波散射到各個(gè)方向，產(chǎn)生無數(shù)散射波，根據(jù)能量守恒原理，每束散射波的能量很小，從而減小了RCS。

圖1 (a) 1 bit電磁超表面的“0”和“1”單元反射相位差(b)編碼電磁超表面示意圖(c)數(shù)值模擬的RCS三維遠(yuǎn)場散射圖(d)寬帶頻段范圍內(nèi)RCS縮減量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig.1 (a) reflection phase different of “0” and “1” element for the 1-bit coding metasurface, (b) coding metasurface (c) Simulation results of RCS three-dimensional scattering patterns (d) simulation and measurement results of RCS reductions over a wide frequency range

2014年，崔鐵軍等[15]利用1和2 bit編碼超表面的非定向散射特性實(shí)現(xiàn)了寬帶RCS的縮減，如圖1所示。對于1 bit電磁超表面，覆蓋了編碼超表面的后向RCS為水花狀的形狀，在7.5～13 GHz 之間，RCS的縮減量超過10 dBsm。對于2 bit編碼超表面，可實(shí)現(xiàn)頻帶更寬的RCS縮減。為了更靈活調(diào)控電磁波，可設(shè)計(jì)3 bit，4 bit等以及更高bit編碼超表面。

2.2 隨機(jī)電磁超表面

隨機(jī)電磁超表面利用反射陣天線理論，通過調(diào)整各陣元的反射相位在很寬的頻帶范圍內(nèi)相位差為360°，從而將金屬目標(biāo)特征性強(qiáng)的反射峰打散成一個(gè)無規(guī)律、雜亂的波，實(shí)現(xiàn)寬帶RCS的縮減。2014年，崔鐵軍課題組[16]利用不同長度的風(fēng)車型單元結(jié)構(gòu)構(gòu)造人工電磁隨機(jī)超表面，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)相位在6～14 GHz頻帶內(nèi)是線性變化并且基本平行，且變化范圍為360°左右，該隨機(jī)超表面實(shí)現(xiàn)寬帶RCS的縮減。

2.3 相位梯度超表面

相位梯度超表面是一種亞波長結(jié)構(gòu)，在表面處的相位發(fā)生突變，可將入射的電磁波反射方向發(fā)生偏折或者耦合為表面波，實(shí)現(xiàn)在寬頻段內(nèi)異常反射從而實(shí)現(xiàn)RCS的減小。2014年，李勇峰等[17]設(shè)計(jì)了一種二維極化無關(guān)相位梯度超表面。從圖3看出，超表面相鄰的單元相位差具有相位梯度，遠(yuǎn)場散射強(qiáng)度最強(qiáng)的地方并不是出現(xiàn)在0度方向，在其他方向出現(xiàn)了較強(qiáng)的散射。該表面使入射的電磁波發(fā)生了異常反射和漫反射，在8～14 GHz 之間，RCS的縮減量超過10 dBsm。

圖2 (a)風(fēng)車型單元結(jié)構(gòu)示意圖(b)不同長度(L)的相位隨頻率的變化曲線(c)電磁超表面結(jié)構(gòu)排列示意圖(d)RCS縮減量的數(shù)值模擬與頻率的關(guān)系

Fig.2 (a) diagram of the unit cell of windmill-shaped structure (b) reflection phase from 6 GHz to 14 GHz with the change of L (c) layout of the designed metasurface (d) simulation results of RCS reductions over a wide frequency range

圖3 (a)相位梯度超表面的示意圖(b)超表面相位梯度(c)正入射情況下的遠(yuǎn)場散射強(qiáng)度(d)正入射情況下, 測量相位梯度超表面和金屬板RCS與頻率的關(guān)系

Fig.3 (a) diagram of phase gradient metasurface (b) phase gradient of metasurface (c) far-feld scattering intensity distribution under normal incidence (d) measured RCS versus frequency for the phase gradient metasurface and metal plate under normal incidence

3 利用完美吸收器實(shí)現(xiàn)RCS的減小

吸波器是通過完美吸收電磁波來減小反射波，從而實(shí)現(xiàn)RCS的縮減[18]。達(dá)到完美吸收時(shí)，電磁波能量通過一種歐姆損耗被吸收掉，這種損耗實(shí)際上就是電磁波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。本部分主要總結(jié)利用完美吸收器實(shí)現(xiàn)RCS的縮減。

3.1 微波波段

2013年，Huanhuan Yang等研究了應(yīng)用在RCS縮減的一種完美吸收器[19]，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)主要有三層相同的金屬正方環(huán)組成。從圖中看出，在入射角度超過50°的時(shí)候，吸收率仍接近1。在頻段4.77～5.06 GHz 范圍內(nèi)，RCS的縮減量超過10 dB。

3.2 太赫茲波段

關(guān)于THz超表面在RCS縮減中應(yīng)用的研究，有關(guān)這方面的工作國內(nèi)外目前研究的很少。2011年Iwaszczuk等進(jìn)行了柔性吸收器在RCS縮減中的研究[20]，如圖5所示。把設(shè)計(jì)的吸波器覆蓋在金屬鋁圓柱側(cè)面，測試了0.40, 0.87和 1.30 THz的RCS。在0.87 THz處，超材料表面的RCS相對金屬表面減小了400倍左右，但是該結(jié)構(gòu)的波段比較窄。因此實(shí)現(xiàn)THz寬頻帶RCS的縮減能更進(jìn)一步滿足軍事等方面的實(shí)際需求，具有更重要的意義。

圖4 (a)完美吸收器示意圖(b)不同入射角度的吸收率(c)RCS的縮減量與頻率的關(guān)系(d)金屬板和吸收器的RCS與角度的關(guān)系

Fig.4 (a) schematic unit cell of metamaterial absorber (b) simulated absorbance under different incident angles (c) RCS reduction as a function of frequency under normal incidence(d) comparison of RCS as a function of angles

圖5 (a)超材料結(jié)構(gòu)單元示意圖(b)加工的超材料彎曲在鋁圓柱曲面上(c)THz吸收器，反射曲線(d)0.40, 0.87, 1.30 THz處測量的RCS結(jié)果

Fig.5 (a) diagram of metamaterial (b) metamaterial foil wrapped around an aluminum cylinder with circumference 80 mm (c) measured reflection coefficient at normal incidence of the samples (d) RCS measurements of the MM-covered cylinder at 0.40, 0.87, and 1.30 THz

4 未來發(fā)展趨勢

電磁超表面出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)RCS縮減提供了新的技術(shù)手段，特別是編碼、隨機(jī)、相位梯度超表面的出現(xiàn)，必將在隱身領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但是距實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。基于現(xiàn)有的研究成果，未來的研究大致分為以下幾個(gè)方向。

(1)寬帶電磁超表面的研究。采用有效方法設(shè)計(jì)新型編碼、隨機(jī)和相位不連續(xù)電磁超表面實(shí)現(xiàn)寬帶RCS的縮減，是研制的重要問題之一。特別是編碼超表面，設(shè)計(jì)性能更高的3和4 bit超表面，有可能實(shí)現(xiàn)更寬頻段RCS縮減。

(2)柔性電磁超表面的研究。目前電磁超表面的研究，大部分為硬質(zhì)基底，為了更接近實(shí)際應(yīng)用，與其他器件共形或者集成化，設(shè)計(jì)并加工出柔性電磁超表面實(shí)現(xiàn)RCS的縮減將是未來發(fā)展趨勢。

(3)太赫茲波段電磁超表面的研究。太赫茲雷達(dá)相對于微波波段，具有更高的分辨率和靈敏度，發(fā)展太赫茲雷達(dá)具有更重要的意義。為此，研究太赫茲波段RCS的縮減具有更大應(yīng)用前景。

(4)大角度入射電磁超表面的研究。目前實(shí)現(xiàn)寬帶RCS縮減基本是對于正入射的，隨著入射角度的增大，RCS縮減量性能會變差。因此，研究大角度入射電磁超表面也具有更大的應(yīng)用范圍。

5 結(jié) 論

電磁超表面在雷達(dá)散射截面縮減中應(yīng)用研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，特別是在微波波段。利用編碼、隨機(jī)、相位不連續(xù)超表面都能使入射的電磁波發(fā)生散射或者異常反射，從而實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)散射截面的減小。但是目前該研究還主要停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)階段，該領(lǐng)域的研究還任重道遠(yuǎn)。一旦該技術(shù)獲得突破，必將在軍事、隱身等方面具有重要的應(yīng)用前景。

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(Received Jan. 22, 2015; accepted May 16, 2015)

*Corresponding authors

Research Progress of Electromagnetic Metasurface Used for Radar Cross Section Reduction in Microwave and Terahertz Wave

YAN Xin1, 2, LIANG Lan-ju1,2*, ZHANG Ya-ting1, DING Xin1, YAO Jian-quan1*

1. College of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2. School of Opto-Electronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China

Electromagnetic metasurface with many special electromagnetic properties can be utilized to manipulate electromagnetic wave propagation and reflection. If the metasurfaces were designed for coding, random, phase discontinuities, perfect absorber and so on，they can manipulate the scattering or the reflection of electromagnetic wave and achieve the reduction of the radar cross section(RCS). This paper mainly presents the recent progress concerning the reduction of RCS using non - directional scattering or the absorption characteristic in microwave and terahertz wave. The analysis results show that coding electromagnetic metasurface can disperse the reflection into a variety of direction by designing the specific coding sequences for different elements. The coding metasurface which are composed of different digital elements, and the reflection phase difference of these digital elements is constant in a wide frequency range, and higher bit coding metasurface can flexible manipulate electromagnetic wave. The random electromagnetic metasurface can achieve broadband phase shifter by adjusting the size parameters of array element, and can diffuse characteristic by scattering into random wave of the reflection peaks for metal target. Phase discontinuities metasurface can achieve anomalous or diffuse of wave because the phase distribution is not uniform at the surface. The absorber metasurfaces which are designed reasonably with the physical dimensions of the devices can reduce reflection by absorbing electromagnetic wave energy. So, the electromagnetic metasurfaces have a large potential application for radar stealth, broadband communications, imaging and so on. Finally, we discussed the future development of RCS reduction by using the electromagnetic metasurface. In order to satisfy the needs of practical application, the research of metasurface will continue development in broadband, flexible, large angle and other aspects.

Electromagnetic metasurface; Radar cross section; Coding; Random; Phase discontinuities; Absorber; Progress

2015-01-22，

2015-05-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61271066)，山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013GGA04021)和中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015M571263)資助

閆 昕, 1977年生, 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院講師 e-mail: yxllj68@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: lianglanju123@163.com； jqyao@tju.edu.cn

TB34; O441

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1639-06