有源器件混合集成的超薄超寬帶可調(diào)雷達(dá)吸波體*

馮奎勝 李娜 李桐

1)(陽光學(xué)院人工智能學(xué)院,福州 350015)

2)(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077)

結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料不僅可以有效吸收雷達(dá)波,還能同時(shí)承受載荷,在雷達(dá)隱身領(lǐng)域具有重要應(yīng)用.基于超表面的結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)波近乎“完美”的吸收,且具有結(jié)構(gòu)輕薄的特點(diǎn),但其限制在于吸波帶寬通常較窄.針對(duì)該問題,提出一種拓寬超表面吸波體工作帶寬的新方法.該方法利用可重構(gòu)的思想,通過在超表面中混合集成變?nèi)荻O管和開關(guān)二極管,將吸波頻率的連續(xù)可調(diào)與離散搬移有機(jī)結(jié)合,以此展寬吸波體的有效吸波帶寬.基于該方法,設(shè)計(jì)了一款超寬帶可調(diào)超表面吸波體,并深入分析了其吸波機(jī)理,通過開關(guān)二極管和變?nèi)荻O管工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)與配合,在4.57—8.51 GHz 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效可調(diào)吸波.實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了該吸波體的低雷達(dá)散射截面特性,證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的有效性.所提出的寬帶可調(diào)設(shè)計(jì)方法簡單可行,還可以拓展應(yīng)用到其他類型的寬帶微波器件設(shè)計(jì).

1 引言

電磁超表面是一種新興的人工電磁結(jié)構(gòu),它通過精心的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特殊的空間序構(gòu)排列,可以突破常規(guī)材料的電磁特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波幅度、相位以及極化等性能的定制調(diào)控[1-6].其中,利用超表面的幅度調(diào)控特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)吸收,進(jìn)而減縮目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)[7-9],實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)敵方探測雷達(dá)的隱身.與經(jīng)典涂覆型和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型吸波材料相比,超表面吸波體具有剖面低、重量輕、無表面損耗層、可用于輻射結(jié)構(gòu)周圍且能承受一定載荷等突出優(yōu)點(diǎn),因此,其在機(jī)身、天線等各類目標(biāo)的雷達(dá)隱身領(lǐng)域具有非常廣泛的用途.2008 年,Landy 等[10]首次設(shè)計(jì)了一種超表面完美吸波體,在很窄的頻帶內(nèi)以接近100%的吸收率實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)波的吸收.自此,關(guān)于超表面吸波體的研究迅速進(jìn)入熱潮,大量優(yōu)秀的研究成果不斷涌現(xiàn),多頻帶、寬頻帶、不同頻段的超表面吸波體相繼被報(bào)道[11-14].

值得關(guān)注的是,吸波帶寬、吸波率以及剖面厚度是超表面吸波體設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的3 個(gè)關(guān)鍵因素,三者密切關(guān)聯(lián)且往往相互制約,如何平衡好三者之間的關(guān)系是設(shè)計(jì)高性能吸波體的難點(diǎn).在無源超表面吸波體設(shè)計(jì)中,基于多層級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)[15-17]、分形結(jié)構(gòu)[18-20]、集總元件加載[21-23]及阻性材料[14,24]的吸波體,在提升吸波帶寬方面卓有成效.然而,無源吸波體在低剖面結(jié)構(gòu)下能夠?qū)崿F(xiàn)的工作帶寬有限,且一旦加工完成,其工作性能也就隨之固定.另一方面,可重構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)為展寬吸波體的工作帶寬提供了一種新思路[25].通過在結(jié)構(gòu)中加載可調(diào)元器件[26-31],吸波體的工作頻段能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào),因此無需增大剖面高度即可實(shí)現(xiàn)寬帶工作,并且在每個(gè)頻點(diǎn)均能保證極高的吸波率.基于該思路,文獻(xiàn)[32]在單元結(jié)構(gòu)中加載PIN 開關(guān)二極管,通過控制二極管的通斷,實(shí)現(xiàn)了在兩個(gè)吸波頻段的高效吸波;文獻(xiàn)[33]則通過變?nèi)荻O管的加載,實(shí)現(xiàn)了吸波頻率的連續(xù)可調(diào).總結(jié)以上研究現(xiàn)狀可以看出,目前實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)吸波性能的主要方法是加載單一類型有源器件,實(shí)現(xiàn)的吸波帶寬也較為有限.能否將不同類型的有源器件混合集成于超表面單元,以怎樣的結(jié)構(gòu)樣式和工作模式才能進(jìn)一步拓寬吸波頻段非常值得研究.

針對(duì)上述問題,通過等效電路模型分析,本文提出一種混合集成有源器件拓寬吸波體工作帶寬的新方法.該方法在單元結(jié)構(gòu)中同時(shí)加載變?nèi)荻O管和開關(guān)二極管,將工作頻率的連續(xù)可調(diào)與離散搬移結(jié)合起來,利用組合工作的思想實(shí)現(xiàn)吸波頻率的超寬帶連續(xù)可調(diào).基于所提出的方法,設(shè)計(jì)了一款超寬帶可調(diào)超表面吸波體,闡述了其吸波機(jī)理,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性.

2 寬帶可調(diào)設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的無源超表面吸波體多為電磁諧振結(jié)構(gòu),當(dāng)吸波體的表面阻抗和自由空間匹配時(shí),結(jié)合適當(dāng)?shù)膿p耗即可實(shí)現(xiàn)電磁能量的高效吸收,這一機(jī)理決定了其吸波帶寬較窄.本文從等效電路分析入手,研究吸波體工作頻率寬帶可調(diào)的方法.圖1(a)和圖1(b)為經(jīng)典的方形超表面吸波單元,其可等效為一個(gè)并聯(lián)RLC 諧振電路[34],如圖1(c)所示.其中Lp為上表面貼片的等效電感、Cp為貼片單元間的耦合電容、Rs為介質(zhì)基板損耗電阻、Lg為下表面接地板的等效電感.該結(jié)構(gòu)的表面阻抗Z可以表示為

圖1 方形無源超表面單元 (a)結(jié)構(gòu)俯視圖;(b)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖;(c)等效電路模型Fig.1.Square-shaped passive metasurface absorber:(a)Top view;(b)side view;(c)equivalent circuit model.

式中//代表阻抗并聯(lián).當(dāng)該結(jié)構(gòu)諧振時(shí),阻抗Z等效為純電阻,且阻值約等于自由空間波阻抗(377 Ω),此時(shí)諧振工作頻率為

從(2)式可以看出,通過改變單元結(jié)構(gòu)的等效電感或等效電容,且電感和電容的變化足夠大時(shí),可以有效調(diào)節(jié)吸波體的工作頻率.為此,在單元結(jié)構(gòu)中串聯(lián)變?nèi)荻O管,如圖2 所示,其中Cv為變?nèi)荻O管的等效電容,此時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為

圖2 頻率可調(diào)超表面單元 (a)結(jié)構(gòu)圖;(b)等效電路模型Fig.2.Frequency tunable metasurface absorber:(a)Configuration;(b)equivalent circuit model.

由此可知,改變變?nèi)荻O管容值Cv的大小,可以連續(xù)調(diào)節(jié)吸波體的工作頻率.但當(dāng)吸波體結(jié)構(gòu)固定后,很難在很寬的頻帶內(nèi)確保其和自由空間阻抗都匹配.這導(dǎo)致集成變?nèi)荻O管后連續(xù)可調(diào)的吸波帶寬往往有限.為了進(jìn)一步拓展吸波帶寬,本文提出在結(jié)構(gòu)中同時(shí)集成變?nèi)莺烷_關(guān)二極管,得到如圖3(a)所示的結(jié)構(gòu).開關(guān)二極管導(dǎo)通時(shí)近似等效為一個(gè)小電阻Rd,此時(shí)整個(gè)超表面吸波單元的等效電路如圖3(b)所示.從該電路圖可以計(jì)算出導(dǎo)通狀態(tài)下的諧振頻率為

另一方面,當(dāng)開關(guān)二極管斷開時(shí)近似等效為一個(gè)電容Cd,此時(shí)超表面吸波單元的等效電路如圖3(c)所示.從該電路圖可以計(jì)算出斷開狀態(tài)下的諧振頻率為

圖3 超寬帶可調(diào)超表面單元 (a)結(jié)構(gòu)圖;(b)開關(guān)導(dǎo)通及(c)斷開時(shí)的等效電路模型Fig.3.Ultra-wideband active metasurface absorber (AMSA):(a)Configuration;(b),(c)equivalent circuit model of PIN diode at ON state (b)and OFF state (c).

由(4)式和(5)式可知,通過控制開關(guān)二極管的通斷,可以使吸波體工作在兩種完全不同的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)工作頻率的大范圍離散調(diào)控;而進(jìn)一步控制變?nèi)荻O管的電容值Cv,則可以在每種狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)工作頻率的小范圍連續(xù)可調(diào),如圖4(a)所示.若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,通過開關(guān)二極管的通斷調(diào)控和變?nèi)荻O管的連續(xù)調(diào)節(jié),有望將兩段吸波頻帶連接在一起,從而實(shí)現(xiàn)超寬頻帶吸波,如圖4(b)所示.

圖4 寬帶可調(diào)吸波示意圖 (a)分段可調(diào)吸波;(b)超寬帶可調(diào)吸波Fig.4.Design concept of the ultra-wideband tunability:(a)Separate tunable absorbing band;(b)ultra-wideband tunable absorbing band.

3 超寬帶可調(diào)超表面吸波體仿真與分析

3.1 超寬帶可調(diào)超表面吸波體設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的有效性,結(jié)合C 頻段雷達(dá)隱身的應(yīng)用需求,提出了如圖5 所示的超寬帶可調(diào)超表面吸波體單元.介質(zhì)基板采用高損耗FR4 板材,相對(duì)介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.02,厚度為0.5 mm.基板下表面為完整的金屬地,上表面結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)矩形金屬貼片和1 個(gè)梯形金屬貼片,3 個(gè)貼片之間用1 個(gè)變?nèi)荻O管和1 個(gè)開關(guān)二極管串聯(lián).變?nèi)荻O管近似集成在上表面貼片的中央電流最強(qiáng)處,以實(shí)現(xiàn)有效的頻率調(diào)控.開關(guān)二極管集成在邊緣一側(cè),以確保通/斷時(shí)吸波頻段連續(xù)可調(diào).根據(jù)C 頻段的設(shè)計(jì)目標(biāo),結(jié)合全波數(shù)值仿真,優(yōu)化后得到的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)p,h,w1,w2,w3,l1,l2,l3分別為11 mm,0.5 mm,4 mm,4 mm,6 mm,4 mm,3.5 mm,1.8 mm.此外,為了方便給二極管直流饋電,每個(gè)金屬貼片都連接有寬度為0.15 mm 的高阻抗偏置線,連接直流源后可以給二極管提供偏置電壓.

圖5 寬帶可調(diào)吸波超表面單元Fig.5.Unit cell of the proposed ultra-wideband AMSA.

利用高頻電磁仿真軟件HFSS 中的周期邊界條件,仿真得到了該結(jié)構(gòu)在兩種二極管處于不同工作狀態(tài)下的吸波率,結(jié)果如圖6 所示.從圖6(a)可以看出,當(dāng)開關(guān)二極管斷開時(shí),梯形貼片幾乎不參與諧振,此時(shí)將變?nèi)荻O管容值從0.71 pF 增大到10.23 pF 時(shí),吸波峰值對(duì)應(yīng)的頻率從8.51 GHz 連續(xù)下降到5.85 GHz;而當(dāng)開關(guān)二極管導(dǎo)通時(shí),整個(gè)單元的金屬貼片結(jié)構(gòu)均參與工作,此時(shí)通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的容值,吸波峰值對(duì)應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)范圍下移到4.57—6.05 GHz.綜合開關(guān)二極管通/斷兩種狀態(tài)下的吸波性能,所設(shè)計(jì)的超表面吸波體在4.57—8.51 GHz 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)吸波,吸波率大于80%的帶寬達(dá)到60%.圖6(b)展示了雷達(dá)波從不同角度入射時(shí)的吸波率曲線,可以看出,當(dāng)入射角小于60°時(shí),吸波率幾乎不受影響.這些結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的超表面吸波體不僅實(shí)現(xiàn)了超寬帶高效吸波,且吸波性能在寬入射角內(nèi)都有良好穩(wěn)定性.

圖6 開關(guān)二極管不同工作狀態(tài)下吸波率隨變?nèi)莨苋葜档淖兓?(a)垂直入射;(b)斜入射Fig.6.Simulated absorptivity vs.varactor capacitance values for different diode states:(a)Under normal incidence;(b)under oblique incidence.

3.2 吸波機(jī)理分析

無表面損耗層的超表面吸波體實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)吸收需要滿足兩個(gè)條件:一是能量無反射/透射,所有能量都被集中束縛在介質(zhì)基板內(nèi)部;二是介質(zhì)基板有損耗,被束縛的能量能夠被有效轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉.根據(jù)反射率的計(jì)算公式:

可知,當(dāng)吸波體阻抗的實(shí)部等于自由空間波阻抗η0,且虛部為0 時(shí),反射率R=0,而超表面的下表面為金屬底板時(shí),雷達(dá)波無法透射,此時(shí)所有能量都將被束縛在介質(zhì)板內(nèi)部,并轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉,即實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波的完美吸收.

為了證實(shí)上述理論,仿真了吸波體性能隨介質(zhì)基板厚度和損耗角正切的變化,如圖7 和圖8 所示.由圖7(a)可知,介質(zhì)基板的損耗不變時(shí),基板厚度的變化由于會(huì)顯著影響超表面結(jié)構(gòu)自身的等效Lg,Cp,導(dǎo)致吸波頻率和吸波峰值都發(fā)生了明顯變化.進(jìn)一步地,圖7(b)和圖7(c)給出了圖7(a)對(duì)應(yīng)的表面阻抗,可以看出當(dāng)基板厚度h=0.5 mm時(shí),在諧振頻點(diǎn)6.05 GHz 處,吸波體的輸入阻抗實(shí)部約等于自由空間波阻抗377 Ω,虛部約等于0,實(shí)現(xiàn)了能量無反射/透射,此時(shí)計(jì)算出來的吸波率為99%,實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射雷達(dá)波的完美吸收;而當(dāng)厚度大于或者小于0.5 mm 時(shí),阻抗都會(huì)出現(xiàn)不同程度的失配,部分能量被反射,引起吸波率的下降.因此,想要實(shí)現(xiàn)高吸波率,首先要確保吸波體的表面阻抗和自由空間波阻抗匹配.另一方面,被束縛的能量要依靠有耗介質(zhì)基板才能被損耗,因此基板的損耗對(duì)吸波率也有至關(guān)重要的影響.圖8(a)給出了介質(zhì)基板不同損耗角正切下的吸波率曲線,可以明顯看出,損耗角正切越大,吸波率也越大,而當(dāng)損耗角正切減小時(shí),吸波率峰值快速下降.從圖8(b)中的功率損耗密度也能看出,損耗角越大,能量消耗越多,吸波率也越高.

圖7 吸波體性能隨介質(zhì)基板厚度的變化(PIN 導(dǎo)通,C=0.71 pF,tanδ=0.02)(a)吸波率;(b)表面阻抗實(shí)部;(c)表面阻抗虛部Fig.7.Simulated performance of the proposed ultra-wideband AMSA with different substrate thicknesses (PIN diode at ON state,C=0.71 pF,tanδ=0.02):(a)Absorptivity;(b)real part of surface impedance;(c)imaginary part of surface impedance.

圖8 吸波體性能隨介質(zhì)基板損耗角正切的變化(PIN 導(dǎo)通,C=0.71 pF,h=0.5 mm)(a)吸波率;(b)吸波峰值處的體功率損耗密度Fig.8.Simulated performance of the proposed ultra-wideband AMSA with different substrate losses (PIN diode at ON state,C=0.71 pF,h=0.5 mm):(a)Absorptivity;(b)volume loss density at absorption peak.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

吸波率測試多采用波導(dǎo)法,即將有限個(gè)單元放置在波導(dǎo)腔內(nèi)進(jìn)行測試.該方法的特點(diǎn)是:精度高、受空間環(huán)境影響小,但要求單元周期和波導(dǎo)口的尺寸要匹配.受上述吸波單元尺寸的限制,這里采用一種間接驗(yàn)證吸波率的方法,即通過空間波法測試RCS 減縮效果[35],驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)的正確性.將上述設(shè)計(jì)的吸波體單元排列成10×10 的陣面并進(jìn)行加工,加工樣件如圖9(a)所示,整體尺寸為110 mm×110 mm×1.5 mm.圖9(b)為單元放大圖,每個(gè)單元上焊接有一個(gè)變?nèi)荻O管和一個(gè)開關(guān)二極管.變?nèi)荻O管型號(hào)為SMV1265-040LF,可調(diào)節(jié)容值范圍為0.71—22.47 pF,開關(guān)二極管型號(hào)為Infineon BAR50-02.圖9(c)為超表面樣件的直流饋電電路示意圖,為了給變?nèi)荻O管施加反向偏置電壓Vc,每個(gè)單元結(jié)構(gòu)中最下方的矩形貼片由高阻抗偏置線連接到一起,并接在電壓源的正極,而中間矩形貼片由高阻抗偏置線連接到電壓源的負(fù)極.單元結(jié)構(gòu)中的梯形貼片由高阻抗偏置線連接到電壓源的另一個(gè)正極,給PIN 二極管提供導(dǎo)通/截止電壓Vd.

圖9 寬帶可調(diào)超表面吸波體實(shí)物及測試裝置 (a)10×10 陣面照片;(b)單元結(jié)構(gòu)放大圖;(c)直流饋電電路示意圖;(d)測試裝置Fig.9.Fabricated ultra-wideband AMSA and the measurement setup:(a)Photo of 10×10 sample;(b)magnified picture of the unit cell;(c)schematic diagram of the biasing circuit;(d)measurement setup.

在暗室中利用空間波法對(duì)超表面樣件進(jìn)行測試[35],測試裝置見圖9(d).為了提高測試的準(zhǔn)確性,在收發(fā)天線之間放置一塊吸波材料,以減小天線之間的耦合,同時(shí)在矢網(wǎng)上應(yīng)用時(shí)域門技術(shù)抑制多徑散射.圖10 與表1 給出了所設(shè)計(jì)的超表面吸波體樣件較同等大小的參考金屬板的RCS 減縮結(jié)果.為方便分析,圖中同時(shí)給出了仿真結(jié)果.實(shí)測結(jié)果表明,當(dāng)PIN 二極管兩端不施加電壓(Vd=0)時(shí),二極管斷開,此時(shí)將變?nèi)荻O管兩端的反偏電壓Vc從0.5 V 逐漸增大到30 V,RCS 減縮峰值頻率可以在5.82—8.34 GHz 的頻段內(nèi)連續(xù)可調(diào);而給PIN二極管兩端施加正向?qū)妷簳r(shí)(Vd=0.95 V),可調(diào)頻率范圍向低頻移動(dòng)至4.48—6.16 GHz.可以看出,通過調(diào)節(jié)開關(guān)二極管和變?nèi)荻O管的狀態(tài),吸波超表面樣件在4—9.5 GHz 的頻段內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)不同程度的RCS 減縮,且每種狀態(tài)下的最大減縮頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)周期結(jié)構(gòu)的吸波頻點(diǎn).

圖10 仿真與實(shí)測的單站RCS 減縮曲線(實(shí)線,仿真結(jié)果;虛線,實(shí)測結(jié)果)Fig.10.Simulated and measured monostatic RCS reduction.Solid lines,simulated results;dashed lines,measured results.

表1 超寬帶可調(diào)超表面吸波體仿真與實(shí)測性能Table 1. Simulated and measured performance of ultra wideband adjustable surface absorber.

此外,從圖10 也可以看出,測試結(jié)果和仿真結(jié)果之間存在一定的差距,包括頻率偏移、減縮量大小以及減縮帶寬.產(chǎn)生這些差距的原因主要是由于開關(guān)二極管和變?nèi)荻O管并不是理想器件,存在分布阻抗、封裝電感和器件的不一致性等,這些都影響諧振頻率以及與自由空間的阻抗匹配程度.另外,基板參數(shù)偏差和加工誤差也會(huì)引起頻率偏移.但總體上看,實(shí)測的RCS 減縮頻率變化趨勢與仿真結(jié)果吻合良好,表明所設(shè)計(jì)的超表面吸波體可以在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸波頻率的連續(xù)可調(diào),同時(shí)也證實(shí)了所提出設(shè)計(jì)方法的有效性.

5 結(jié)論

本文針對(duì)諧振式超表面吸波體吸波帶寬較窄的問題,提出了一種拓寬吸波體工作帶寬的新方法.該方法從等效電路模型的分析而來,通過在單元結(jié)構(gòu)中混合加載變?nèi)荻O管和開關(guān)二極管,將工作頻率的連續(xù)可調(diào)與離散搬移結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)吸波頻率在超寬帶范圍內(nèi)的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),以此展寬吸波體的工作帶寬.基于該方法,優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款寬帶可調(diào)超表面吸波體,并深入分析了其寬帶吸波機(jī)理.最后,對(duì)樣件進(jìn)行了加工測試,從實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)一步證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的有效性.值得指出的是,通過合理設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)和器件組合方式,有望實(shí)現(xiàn)多工作頻段組合,進(jìn)一步展寬工作帶寬,實(shí)現(xiàn)超寬頻帶內(nèi)的動(dòng)態(tài)隱身.并且所提出的寬帶可調(diào)設(shè)計(jì)思路還可以拓展應(yīng)用到其他類型的寬帶微波器件設(shè)計(jì).