一种宽角域散射增强超表面的研究

提出并验证了一种基于超表面相位梯度设计以实现宽角域后向雷达散射截面(radar cross section, RCS)增强的设计思路.宽角域RCS增强超表面包含两个区域,分别设计大小相等方向相反的相位梯度,控制-45?和45?方向上的入射电磁波沿入射方向返回;电磁波垂直入射时,在一个区域内耦合为表面电磁波,传播至另一区域再次解耦为垂直反射的自由空间波,分别在-45?, 0?, 45?方向上形成散射峰,实现了在-45?—45?的宽角域范围内的RCS增强.仿真了宽角域RCS增强超表面在电磁波以不同角度入射时的电场分布和单站RCS,测试了加工样品在9—12 GHz频带内不同频点处的单站RCS,和仿真结果基本一致.结果表明:设计的宽角域RCS增强超表面在9—12 GHz的宽带频率范围内,在-45?—45?的宽角域范围内对于x和y极化入射波均有良好的RCS增强效果.     

基于交叉极化旋转相位梯度超表面的宽带异常反射

设计实现了一种基于双圆弧形金属结构的宽带反射型极化旋转超表面, 在7.9–20.1 GHz的宽频带范围内交叉极化转换率达到99%, 通过改变其结构参数可实现在保持高效的交叉极化转换率的条件下对交叉极化反射相位的自由调控. 基于六种不同结构参数极化旋转超表面结构单元的空间排布设计实现了一维宽带相位梯度超表面, 在宽频带内, 实现了异常反射. 测试了其镜面交叉极化反射率, 与仿真结果基本一致. 仿真计算了x-极化波入射时的电磁场分布和异常反射角度, 与理论计算结果基本一致. 仿真与测试结果均表明这种相位梯度超表面在8.9–10 GHz 和10.0–18.1 GHz的两个宽带频率范围内可分别实现高效的表面波耦合和异常反射.     

二维宽带相位梯度超表面设计及实验验证

针对圆极化波, 通过同极化反射超表面结构单元的空间排布, 设计实现了一种二维非色散高效相位梯度超表面. 同极化反射相位可以通过同极化反射超表面结构单元金属线的面内旋转来自由调控. 实现的相位梯度超表面可对左右旋入射波产生相反的相位梯度. 当线极化波入射到超表面上时, 反射波被分为两束向相反方向传播的圆极化波. 仿真了线极化波垂直入射时的反射功率密度谱, 仿真结果与理论上设计的异常反射方向一致. 制作了厚度为2 mm的超表面样品, 测试了其镜面反射率曲线. 实验结果表明, 线极化波垂直入射时, 超表面在9.5-19.0 GHz的镜面反射率降至-5 dB以下.     

基于编码相位梯度超表面实现太赫兹雷达散射截面缩减

本文设计了一种编码相位梯度超表面,用于实现太赫兹频段的雷达散射截面（RCS）缩减。依据Pancharatnam-Berry(PB)几何相位原理在超表面单元中引入相位梯度,设计出1 bit编码的两个元素“0”和“1”,使得两者的反射相位差接近180°。通过遗传算法得到编码相位梯度超表面中编码元素的最佳排列,实现了太赫兹波宽带RCS缩减。对编码相位梯度超表面进行建模分析,结果表明,在0.87～1.725 THz的宽频段内,设计的1 bit编码相位梯度超表面能实现大于10 dB的RCS缩减,最大缩减值达到31.26 dB。此外,分析了x和y极化波的入射角度变化对编码相位梯度超表面性能的影响,在0°～30°范围内,其性能稳定。以上结果表明,该类超表面在雷达隐身等方面具有潜在的应用价值。     

超薄宽带平面聚焦超表面及其在高增益天线中的应用

针对相位梯度超表面在灵活操控电磁波与提高天线增益中的潜在应用,提出一种新型的宽带超表面单元,实现了在较宽频带范围内操控电磁波波前与提高天线增益.本文首先设计了一种圆环十字形对称单元来控制反射波的相移量,单元厚度为1 mm,尺寸为0.3λ_0(λ_0=20 mm),工作频段15—18 GHz,而后验证了由该单元组成的相位梯度超表面在15—18 GHz范围内对电磁波的奇异反射与聚焦特性.最后将设计的反射聚焦超表面应用于提高天线增益中,仿真与测试结果均表明,天线最高增益在15—18 GHz内平均增加了11 d B且-1 dB增益带宽为15—18 GHz(相对带宽为18.2%).由于厚度薄、重量轻、频带宽,设计的该单元拓展了相位梯度超表面在微波领域的应用,有望为高增益天线的实现提供新的方法.     

电磁超表面在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用研究进展

电磁超表面由于其独特的电磁特性为调控电磁波提供了有力工具,合适地设计成编码、随机、相位不连续、完美吸收器等超表面,就能够控制电磁波的散射以及反射特性,实现雷达散射截面的缩减。本文综述了不同的电磁超表面利用漫反射或者吸收等特性实现在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用。分析表明,编码超表面由不同的数字单元组成,其反射相位差在很宽的频段范围内满足恒定的关系,设计特殊的单元序列使入射的电磁波产生非定向散射,更高bit编码超表面更容易灵活调控电磁波;随机超表面通过调节阵元的尺寸实现宽带移相从而将金属目标特征性强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波,产生漫反射;不连续超表面由于相位不连续可使电磁波发生漫反射或者异常反射;吸收器通过合理设计结构尺寸实现吸收电磁波能量来减小反射。因此电磁超表面在雷达隐身、宽带通讯、成像等方面具有重要的应用前景。最后对电磁超表面在雷达散射截面缩减中应用的发展趋势进行了初步探讨,未来将向着宽带、柔性、大角度等方面发展。     

基于宽带吸波体的微带天线雷达散射截面缩减设计

利用加载集总电阻的方式设计出一种极化稳定且宽入射角的宽带超材料吸波体(wide-band metamaterial absorber, WBMA), 在平面波垂直入射时, 其吸波半波功率带宽达12.7 GHz, 吸波率大于90%的带宽达10.42 GHz, 峰值吸波率达99.9%. 将其与微带天线共基板共接地板的方式加载, 制备出WBMA微带天线, 实现了天线宽频域内雷达散射截面(radar cross section, RCS)大幅缩减. 仿真与实测结果表明: 将WBMA加载于微带天线后, 天线的前向增益提高了0.53 dB, 整体辐射特性基本保持不变; 在不同极化波下, 天线的工作频带带内和带外等宽频域(6.95-17.91 GHz)内的单站RCS缩减大于3 dB以上, 最大缩减值达21.2 dB; 在天线的中心频点8 GHz处± 48°的宽角域内, 双站RCS缩减效果明显, 很好地实现了天线的宽频域大角度的隐身设计.     

单层高效透射型相位梯度超表面的设计及实验验证

本文设计了一种单层高效透射型相位梯度超表面,并通过仿真和实验进行了验证.在圆极化波入射条件下,超表面单元的交叉极化转化率大于90%的频带范围为14-15.8 GHz.通过对单元的面内旋转可实现在保持高交叉极化透射幅度的前提下对交叉极化透射相位进行调控.基于6个旋转步进为300的超表面单元周期排布设计了一维相位梯度超表面,该超表面对左/右旋圆极化波分别形成方向相反的相位梯度,因此线极化波经过超表面后将会分离成两束对称传播的圆极化波15 GHz处的近场电场分布和远场归一化透射能量方向图的仿真结果表明,奇异透射角仿真值为33.50,与理论设计值(33.75°)符合得很好.仿真并测试了透射功率密度谱,结果表明在14.9-15.3GHz频带范围内垂直入射的线极化波被高效分离成两束圆极化波.相比于以往的透射型极化调制超表面,该超表面具有工作效率高、厚度薄、重量轻等优点,在电磁波传播和极化操控领域具有重要的应用价值.     

基于编码超表面的太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的研究

本文设计了一种柔性, 非定向低散射的1bit编码超表面, 实现了太赫兹宽频带雷达散射截面的缩减. 这种设计基于对“0”和“1”两种基本单元进行编码, 其反射相位差在很宽的频段范围内接近180°, 为一种非周期的排列方式, 该电磁超表面使入射的电磁波发生漫反射, 从而实现雷达散射截面的缩减. 全波仿真结果表明, 在垂直入射条件下, 编码超表面的镜像反射率低于-10 dB的带宽频段范围为1.0-1.4 THz, 该带宽内超表面相对同尺寸金属板可将雷达散射截面所减量达到10 dB以上, 最大缩减量达到19 dB. 把柔性编码表面弯曲在直径为4 mm的金属圆柱面上, 雷达散射截面的所减量高于10 dB以上的带宽频段范围为0.9-1.2 THz, 仍然可实现宽频带缩减特性. 总之, 编码超表面为调控太赫兹波提供一种新的途径, 将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.     

基于十字形结构的相位梯度超表面设计与雷达散射截面缩减验证

基于十字形结构设计了一种在雷达波低频段极化不敏感的相位梯度超表面, 并通过仿真和实验进行了验证. 不同金属十字周期结构单元复合, 在超表面上形成附加的平行波矢分量, 对反射波波前进行调控, 获得超表面后向雷达散射截面积(RCS)缩减. 在设计波段内, 超表面在法线方向的单站RCS缩减达18.19 dB, 偏离法线-30°–+30°范围的单站RCS 平均缩减达8 dB; 仿真与实验结果符合较好.     

一种兼具宽带增益改善和宽带、宽角度低雷达散射截面的微带天线

设计并制备了一种兼具高增益和低雷达散射截面(radar cross section, RCS)的微带天线, 通过给原始微带天线加载双屏频率选择表面(frequency selective surface, FSS)覆层, 使其具有宽带的3 dB增益带宽和宽带、宽角度的低RCS特性. 该FSS单元的上层是四个开口处都焊有电阻的金属环结构, 下层是中间和四边都开缝的金属贴片结构. 上层加载的电阻主要用于吸收雷达入射波, 减缩天线RCS; 下层的贴片和天线地板构成Fabry-Perot谐振腔, 提高天线增益. 在5.75–11.37 GHz频带内, S₂₂<-10 dB, S₁₂<-10 dB; 在11.21–11.54 GHz频带内, S₁₁反射系数相位曲线斜率为正, 幅度模值均在0.86以上. 实验结果表明: 与原始天线相比, 在谐振频点11.73 GHz处, 天线增益提高3.4 dB, E, H面的半功率波束宽度分别减小16°和50°; 天线的3 dB增益带宽为10.00–12.40 GHz, 完全覆盖阻抗带宽. 在4.10–11.30 GHz 频带内, 天线法向RCS均有3 dB以上的减缩, 最大减缩23.08 dB; 4.95 GHz处的单站RCS在-20°–20°的角域、双站RCS 在-37°–37°的角域均有3 dB以上的减缩. 实验结果证实了该FSS覆层可用于同时改善天线的辐射和散射 性能. 关键词： 频率选择表面 低雷达散射截面 高增益 宽带     

An ultra-wideband coding polarizer for beam control and RCS reduction

Pancharatnam−Berry (PB) phase metasurface, as a special class of gradient metasurfaces, has been paid much attention owing to the robust performance for phase control of circularly polarized waves. Herein, we present an element-based polarizer for the first step, which enables the incident electromagnetic waves into the cross-polarized waves with the relative bandwidth of 71%, and the polarization conversion ratio exceeds 90% at 6.9−14.5 GHz. Then an eight-elements coding polarizer based on the PB phase is presented for the applications on beam control and radar cross section reduction. The simulated values indicate that the reduction of radar cross section is more than 10 dB at 6−16 GHz. Our work reveals the availability of manipulating the waves, beamforming in communication systems and electromagnetic stealth, and so on.     

Ultra-wideband RCS reduction using novel configured chessboard metasurface

A novel artificial magnetic conductor(AMC) metasurface is proposed with ultra-wideband 180?phase difference for radar cross section(RCS) reduction. It is composed of two dual-resonant AMC cells, which enable a broadband phase difference of 180?±30?from 7.9 GHz to 19.2 GHz to be achieved. A novel strategy is devised by dividing each rectangular grid in a chessboard configuration into four triangular grids, leading to a further reduction of peak bistatic RCS. Both fullwave simulation and measurement results show that the proposed metasurface presents a good RCS reduction property over an ultra-wideband frequency range.     

An ultra-wideband 2-bit coding metasurface using Pancharatnam—Berry phase for radar cross-section reduction

An ultra-wideband 2-bit coding metasurface is designed for radar cross-section (RCS) reduction. The design process is presented in detail, in which a polarization conversion metasurface (PCM) is first proposed. The proposed PCM can realize ultra-wideband circular polarization (CP) maintaining reflection. Moreover, Pancharatnam—Berry (PB) phase will be generated in the co-polarized reflection coefficient by rotating the metallic patches in its unit cells. Thus, based on the PCM, the four coding elements of a 2-bit coding metasurface are constructed using PB phase, and an ultra-wideband PB 2-bit coding metasurface is proposed according to an appropriate coding sequence. The simulated and experimental results show that the coding metasurface has obvious advantages of wideband and polarization-insensitivity. Compared to a metallic plate of the same size, it can achieve more than 10 dB RCS reduction in the frequency band from 9.8 GHz to 42.6 GHz with a relative bandwidth of 125.2% under normal incidence with arbitrary polarizations.