0.引言
随着雷达技术的飞速发展，雷达隐身技术的研究引起了学者们的广泛关注。传统的隐身技术分为两种，一是改变飞机外形表面轮廓，二是给飞机表面覆盖能够散射或吸收雷达发射波的材料。
超表面(N. F. Yu, 2011)是三维超材料的二维平面形式，它是由具有特定几何形状的亚波长单元结构，周期或非周期地排布在二维平面上而构成的人工复合结构，能够用于在较小尺寸范围内控制电磁波实现反射或折射。基于此，通过电磁波在一定频带内的无方向性散射，降低目标的回波信号，使敌方雷达无法准确探测到目标，可以实现目标的雷达横截面(Radar Cross Section, RCS)缩减(H. F. Ma, 2009)。
研究者们提出了人工磁导体(M. Paquay, J, 2007)、相位梯度超表面(Y. Li, 2014)、编码超表面(T. J. Cui, 2014)等来实现 RCS 缩减。虽然已有基于不同理论的各种超表面，但仍存在一些问题。例如，由宽带 180°相位差组成的棋盘结构受到带宽窄和散射方向固定的限制，导致双站 RCS值偏高(D. Sang, 2019)。在多比特编码设计中，将散射波分散到不同方向，需要花费大量的时间来达到预期的效果(J. Zhao, 2017)。
为了解决上述问题，本文仿真分析了一种用于宽带 RCS 缩减的随机棋盘编码超表面。将卷积运算(S. Liu, 2016)与漫反射理论相结合，构造了超表面，从而使电磁波向更大的方向散射。与传统棋盘编码超表面相比，所提出的设计大大增加了散射波瓣的数量；与传统的编码超表面相比，特别是在多位编码超表面设计过程中，降低了花费的时间和计算资源。仿真结果表明，该超表面具有宽频和极化不敏感的特性，可以降低 RCS。
1.单元设计
编码超表面的单元的模型如图 1 所示。该单元结构由传统的三明治结构组成，为在更宽的带宽内获得更平缓的相位，上表面为金属覆铜的不对称箭头结构改进而来，背面为全覆铜（实现全反射），中间所选用的介质为 FR4，其相对介电常数εr =2.2，损耗角正切δ=0.0009。四种基本元素的不同尺寸如图 1 所示。单元周期 P= 4 mm，介质基板的厚度为 d= 1.5 mm，金属图案和背景的厚度均为 h= 0.038 mm。α2= 45°，b= 2.2 mm，w= 0.2 mm。对单元相位的控制可以通过对单元进行旋转来实现。设单元逆时针旋转角度变量为β，两端圆弧线的角度为α1和α2。为了获得带内良好的反射系数和反射相位曲线，得到反射相位 0, 1/2π, π和 3/2π，可将其分别编码为 00、01、10 和 11。经过优化后，可以得到(α1、β)为(67.5°、45°)，(22.5°,45°)，(67.5°、-45°)和(22.5°、-45°)。
图1.不对称箭头性单元结构（a）正视图；（b）侧视图
图 2. 不对称箭头型单元结构的幅度和相位
用 CST 来对上述单元模型进行仿真，选择频域求解器。电磁场沿+z 方向入射到结构表面。由于单元结构为各向异性单元结构。模拟 TM 和 TE 两种模式，来模拟垂直入射到该单元结构的平面波。在 TE 和 TM 平面波入射的情况下，单元的反射系数在所设计的频段内接近 0 dB，保证了全反射。如图 2 所示，反射相位曲线具有非常良好的平行度和线性度，因此该单元可以用来设计超宽带的 RCS 缩减的阵列。
2.阵列排布
将编码超表面的卷积运算与漫反射理论相结合，可以实现反射波的均匀扩散。对于使用这一原理的特殊设计，我们可以将电磁波引导到任意预先设计的方向。传统的棋盘结构是基于相消干涉原理，虽然能够有效抑制其镜面反射，但是在其他方向上会出现明显的旁瓣，棋盘随机编码超表面与传统棋盘编码超表面相比，入射波被分成四束提出的 2 位棋盘随机编码设计大大增加了散在波瓣的数量；与传统的编码超表面相比，大大降低了花费的大量时间和计算资源，特别是在多位编码超表面设计过程中。在此，将棋盘结构进行多元化和随机化排布，将反射能量更加分散到各个方向上实现漫反射，在超宽带内实现了高效的 RCS 缩减。
所设计的四个编码单元如图 3 所示，其中“超级单元”00 是由 8×8 个单元格组成的棋盘结构。而 01 超级单元，则采用 y 方向卷积运算来实现，其编码序列为 S1（0 1 2 3 3 0 1）即可计算出卷积后的编码序列，从而产生 4 个指向 y 方向的波束。同理，分别通过将编码单元 00 的反射角沿 x 方向和对角旋转即可得到编码单元 10 和 11。
设计的 2 位编码超表面分别在 35GHz 下产生 00、01、10、11 的三维远场散射图。如图 3 所示，在图案形状不受扰动的情况下，四个波束偏离法向轴。该仿真结果表明，棋盘编码超表面可以使反射光束偏离法线方向。
图 3. 四个超级单元的结构示意图及远场散射图
由于随机编码序列在向多个方向扩散入射波方面具有很大的优势，因此我们利用编码序列排列四个超单元，从而进一步提高了 RCS 的缩减效果。如上所述，我们使用数字“1”、“2”、“3”、“4”来表示四种不同的棋盘结构。根据 MATLAB 生成一个 6×6 的随机编码序列数组，如下式(1)所示
3.结果分析
为进一步对所设计的棋盘随机编码超表面的 RCS 缩减性能进行验证，根据其结构制作了如图 4 所示尺寸为 192 mm×192 mm 的样品。并利用 CST 微波工作室的全波模拟来获得随机棋盘编码超表面的 RCS 缩减量。为了便于比较，本节也对图 4(b)所示的常规棋盘超表面进行了分析。
所测得的 RCS 减少量分别如图 6 中所示，随机编码超表面在 26.2 GHz 的 RCS 减少量可以达到28 dB，10dB 带宽 15.5 GHz-42.5 GHz，而传统的棋盘结构超表面在 14.6 GHz 的 RCS 缩减量为21.9 dB，10 dB 带宽为 18.5 GHz-40 GHz。由图 6 可以看出与强后向散射相比，两个超表面的 RCS都得到显著降低。可以得出反射波在四周均匀反射，即该编码相位梯度超表面具有很强的散射能力，能够有效的削弱主瓣能量。因此，该结构能够有较好的 RCS 缩减的特性。
图 4. (a)棋盘结构基本单元排布示意图 (b)随机棋盘编码基本单元排布示意图
图 5. 三维远场散射模式。26.2、35.4 和 40 GHz 处 PEC、棋盘结构和随机棋盘超表面实现宽带RCS 缩减的效果示意图
图 6. 实现宽带 RCS 缩减的效果示意图
4.结论
本文仿真分析了一种用于 RCS 缩减的棋盘随机编码超表面。选择了一个具有宽频带极化不敏感的 2 位反射编码单元。将编码超表面的卷积运算与漫反射理论相结合，可以实现反射波的均匀扩散。利用多次卷积实现任意角度的波束偏折，偏折角度不再受单元大小和周期的限制。仿真结果表明，该设计在 15.5 GHz-42.5 GHz 内，可实现 10dB 以上的宽带 RCS 缩减，最大可将 RCS降低 28 dB。
资料来源：达索官方
