電磁調控角反射器的散射特性研究

周梓萌 王俊杰 龐晨 郝國慶 馮德軍

（國防科技大學電子科學學院, 長沙 410073）

0 引 言

角反射器是由金屬平板組合構成的二面角或三面角結構，因其對入射電磁波產生多次反射，在寬角域呈現較大的雷達散射截面積(radar cross section,RCS).作為常見的無源干擾設備，角反射器常被用于生成假目標以隱真示假[1].但與此同時，高價值目標中多個相交平面構成的天然角反射結構也提高了目標被非合作雷達識別的概率，為我方高價值目標的生存帶來了威脅[2-4].為解決這一問題，常采用目標特征變換以破壞雷達的識別效果，這一手段有效地提高了目標的抗識別能力，同時也豐富了生成假目標的種類.因此如何實現角反射器的散射特性動態可調具有一定的研究意義.

角反射器的散射特性除了與入射波本身特性相關之外，主要受其結構和材料特性影響.因此，早期關于角反射器的散射特性動態可調多從其結構動態可變入手，基于機械裝置的異型結構角反射器應運而生.文獻[5]在2011 年提出了一種旋轉型角反射器的結構，通過電機帶動角反射器葉片旋轉以實現RCS 可變.文獻[6]在2013 年提出了另一種旋轉型角反射器結構，同樣借助外界機械裝置實現了RCS動態可變.以上散射特性動態可調角反射器的結構設計均依賴機械設備從而實現RCS 可變，實現了較好的調控效果.但此類機械型動態調控的響應速度有待提升，其響應延遲多為秒級或者亞秒級，實時調控性不足，使得實際應用具有局限性，如何實現快速響應的散射特性動態可調仍有待研究.

新型人工電磁材料因其結構單元小、特性可調控、可設計性等優勢而受到廣泛關注，可以在不自主發射電磁波的前提下對雷達回波幅度、相位、頻域等參數實現精確調控[7-10].而這種調控能達到有源對抗才能達到的效果，如特征控制、圖像生成、逼真多假目標等，同時又具備傳統無源對抗器件造價低、響應速度快、不易暴露等特點[11-14].隨著電磁材料的發展，其調控速度可達微秒級甚至納秒級，相較于機械調控，響應速度有數萬倍的提升.其中有源頻率選擇表面(adaptive frequency selective surface, AFSS)是一類常見的幅度調控材料.Smith 團隊利用傳輸線模型研究了寬帶AFSS 結構，為AFSS 吸波體的快速發展奠定了理論基礎[15].陳謙等基于傳輸線等效理論，設計了含有 AFSS 的三層可調復合吸波體，通過調節PIN 二極管陣列偏置電壓可以動態調節吸波體反射特性[16].考慮人工電磁材料對雷達回波信號的調控能力，利用人工電磁材料制作角反射器，能夠實現角反射器反射特性的動態調控，這為實現快速響應的角反射器散射特性動態可調提供了一種新的方案.文獻[17]驗證了翼前后緣涂敷吸波材料可以有效地控制RCS.文獻[18]提出了一種基于電磁材料的RCS 增強器設計，利用電磁材料結構代替金屬面構成反射器，實現了更好效果的假目標欺騙干擾.文獻[19]設計了一種加載超材料吸波體的新型三面角反射器，實現了角反射器散射特性動態可調，能夠更加有效地對抗變頻雷達識別.

以上關于電磁材料角反射器的研究均基于靜態調控效果的電磁材料，未基于具有動態調控效果的AFSS 材料，同時電磁材料角反射器的調控角域仍有待分析.結合AFSS 的動態調控效果，本文對加載AFSS 的角反射器散射特性展開了分析，利用仿真軟件 CST Microwave Studio 進行計算，對加載電磁材料的角反射器的寬角域動態可調效果進行驗證，同時針對電磁調控角反射器設計步驟和電磁調控角反射器特點進行概述.

1 AFSS 調控原理

1.1 AFSS 概述

AFSS 通常由金屬導體和介質層交替排列而成，可在特定的頻率范圍內選擇性地吸收、反射或透射電磁波.此外，AFSS 可以通過調節其結構和物理參數來實現對電磁波的頻率選擇，從而在不同頻段上實現不同的電磁性能.相較于FSS，AFSS 可通過對有源器件的控制，在一定頻率范圍內對電磁波反射率進行動態調控且不主動輻射電磁波.同時，由于其具有體積小、可靈活調控等優點，可被用于調節天線的輻射模式、改變RCS、提高電磁波屏蔽效果等多種場景，在雷達隱身、無線通信、天線設計等領域得到了廣泛應用.

AFSS 多為有源阻抗層、介質層、金屬底板構成的多層結構，如圖1 所示.入射波照射到材料表面時，部分電磁波通過表面阻抗層反射，另一部分電磁波透過阻抗層和介質層，在底部金屬層反射，二者之間出現π 的相位差，從而相互抵消.多層結構均有其對應的功能：介質層可以來支撐導電材料并調節電磁波的傳播速度和相位，以達到吸波的效果；有源阻抗層在電磁波作用下可以產生電流，從而將電磁波轉化為熱能或電能，使其被吸收.AFSS 單元的調控效果則由有源阻抗層中的可調阻抗元件實現.

圖1 AFSS 常見結構示意圖Fig.1 Common structural diagram of AFSS

1.2 AFSS 單元反射率計算

有源阻抗層的阻抗為

式中：Rs為不同偏置電流下的等效電阻值；Ls為等效電感；Cs為等效電容.

AFSS 的等效輸入阻抗為

式中：Z為介質層的等效阻抗； β為介質層的傳播系數；d為介質層厚度.

AFSS 單元的反射系數為

2 “領結型”AFSS 單元特性

CST Microwave Studio 是一款用于電磁仿真的三維軟件，可以用于分析和設計電磁組件，模擬電磁場的傳播、反射、折射等，本文利用CST Microwave Studio 2020 進行仿真計算.“領結型”結構具有帶寬大、頻響特性可調、結構簡單、吸波效果較好等優勢，因此選擇該結構進行電控角反射器散射特性研究.首先計算“領結型”AFSS 單元的反射率.“領結型”AFSS 單元結構及坐標系設置如圖2 所示，其單元主視圖如圖3 所示，圖中的單元結構對應參數如表1 所示.

表1 AFSS 單元結構參數Tab.1 Parameters of AFSS unitmm

圖2 “領結型”AFSS 單元結構示意圖Fig.2 Diagram of AFSS unit structure

圖3 “領結型”AFSS 單元主視圖Fig.3 Main view of AFSS unit

在AFSS 單元之間添加電阻以模擬PIN 二極管在不同偏置電流下的電阻變化，設定PIN 二極管阻值變化范圍為20～1 000 Ω，入射頻率為5 ～ 15 GHz.利用 CST Microwave Studio 的Floquet 端口模式可以對Zmax 和Zmin 兩個端口的電磁波傳播模式(極化方式)進行設置，每個端口均包含兩種模式，即水平極化和垂直極化.在設置好端口模式后，利用頻域求解器即可計算不同極化條件下單元的傳輸特性.由于單元結構本身的對稱性及有源器件中的電流方向，該材料為一種單極化調控材料，即只有在垂直極化下具有調控效果，圖4 為垂直極化條件下垂直入射電磁波對應的不同阻值的反射系數.

圖4 垂直極化垂直入射下不同阻值對應的反射系數Fig.4 Reflection coefficients corresponding to different impedances under vertical incidence

由圖4 可知，單元的反射系數在PIN 二極管阻值不同時呈現出差異，單元的諧振頻率均在11 GHz 左右.隨著電阻變化，吸收峰對應的反射系數出現差異，即不同阻值對應吸波、散射的不同狀態.當電阻為1 000 Ω 時，X 波段下的反射系數最高，接近0 dB，說明電阻為1 000 Ω 時單元在X 波段呈現良好的反射特性，即二極管處于斷路狀態時，該領結型單元近似于全反射狀態；當電阻為30 Ω 時，反射系數達到了?25 dB，說明電阻為30 Ω 時單元在X 波段呈現良好的吸波特性.因此，可通過改變AFSS 的外接偏置電流來切換AFSS 單元的吸波和反射狀態.圖5 中的黃色區域為該AFSS 單元在不同偏置電流下的調控范圍，即通過改變偏置電流可達到的最佳吸波與最佳反射狀態.

圖5 AFSS 的頻域調制效果Fig.5 Frequency domain modulation effect of AFSS

平面電磁材料非垂直入射下其吸波特性有限，因此我們設定不同方向的入射波，計算其反射系數，分別設定俯仰角θ=15°、θ=30°，計算φ=0°、φ=15°、φ=45°、φ=60°下的反射系數，結果如圖6 和圖7 所示.

圖6 吸波態下不同俯仰角對應的反射系數Fig.6 Reflection coefficients corresponding to different pitch angles under absorbing states

從圖6 可知，該“領結型”AFSS 單元在吸波狀態下，俯仰角為15°時，入射波略偏離垂直方向，此時同一阻值下的反射系數與垂直入射接近，且諧振頻率基本保持不變，同時吸波深度可達?28 dB，與垂直入射吸波效果接近.當俯仰角達到30°時，X 波段諧振頻率發生了偏移，總體仍呈吸波效果，但吸波效果衰減.以10 GHz 下的反射系數為例，θ=15°時，φ=15°以內保持與垂直入射接近的反射系數，φ=45°、φ=60°時，其反射系數較大，吸波效果不佳.以吸波深度?5 dB 為界，入射波俯仰角15°，方位角15°以內可達到?5 dB 的吸波深度.綜合上述，不同入射方向下該AFSS 單元因其結構對稱，其吸波效果較好，但入射方向偏離垂直方向較多時，其吸波效果受到了較大的影響.同時對比方位向、俯仰向角反射器反射系數差異可知，俯仰角變化對反射系數的影響更大，同時帶來了諧振頻率的改變.

從圖7 可知，強反射態下，不同入射方向對該單元在X 波段的反射效果基本無影響，仍呈強反射態.

3 AFSS 電磁調控三面角

基于第2 節單元結構，本節設計了一種單面AFSS 與雙面金屬組成的電控角反射器，在保留傳統方形金屬角反射器結構的基礎上，用AFSS 替換底面金屬板.由于電控角反射器保留了角反射結構，對電磁波同樣有著結構帶來的回溯效果.相較于金屬角反射器，電磁調控角反射器是一類新型的角反射器結構.在保留角反射結構的同時加載AFSS 材料，AFSS 材料本身在不同偏置電壓下具有不同的反射特性，使得原本特性固定的角反射器可以實現角反射器雷達目標特征的靈活調控.

整體結構如圖8 所示，AFSS 是由圖3 所示的單元結構按20 × 20 排列而成，角反射器具體尺寸為32 cm × 32 cm × 32 cm.以角反射器的頂點為坐標原點建立xyz坐標系，與材料單元的坐標系定義一致，二極管連接方向定義為y方向，由金屬底板到有源阻抗層方向定義為z軸.定義入射電磁波與z軸夾角為入射波俯仰角θ，入射電磁波在xOy平面上的投影與x軸的夾角為入射波方位角φ.

圖8 電磁調控角反射器示意圖Fig.8 Diagram of two types of corner reflectors

將針對平面吸波材料的RCS 計算拓展到三維電控角反射器，在電磁仿真軟件CST 中建立電控三面角的仿真模型，對其進行電控角反射器RCS 仿真計算.定義調控深度 Δσ為吸波態和反射態下角反射器RCS 的差值：

由以上對單元結構的分析可知，該材料在X 波段、垂直極化下具有調控效果，因此以入射波頻率10 GHz 為例，對X 波段下不同入射波角度下電磁調控角反射器的RCS 進行仿真.調控深度為該電控角反射器在兩種不同狀態下的RCS 差值，表征該電控角反射器的調控范圍及調控效果.仿真結果如圖9 所示.

圖9 不同俯仰角下電控角反射器的RCS 和調控深度Fig.9 RCS and modulation depth of electrically controlled corner reflector at different pitch angles

由圖9 可知，電阻為1 000 Ω 時電控角反射器呈強散射態，其RCS 變化趨勢與金屬角反射器接近，方位向上呈現先增大后減小再增大的變化趨勢.同時，調控深度隨入射波的方向變化呈現顯著性差異，10 GHz 時，俯仰向0 ～ 45°范圍內的RCS 調控深度維持在?20 dB 左右，具有較大的調控深度；其變化臨界值為即約為34°和54°，最大調控深度可達?40 dB 以上.

對圖10 中不同方位角下RCS 調控效果進行分析可知，強吸波態下，角反射器RCS 均值小于?10 dB，相較于反射態具有明顯的RCS 衰減，方位向0～45°范圍內同樣有?20 dB 左右的調控深度.當入射波的俯仰角超過60°時，調控深度會顯著降低，這是由于此時入射波與超表面之間的夾角較小，使得電磁表面的調控效果變差.仿真結果表明，通過改變AFSS 的外加偏置電壓，可使PIN 二極管的阻值在30 Ω 和1 000 Ω 之間變化，實現單元在透射態和反射態之間切換，其X 波段的透波深度可以達到?30 dB 以下.此外，電控角反射器相較于AFSS 平面具有寬角域特性，能夠在0～60°的俯仰向、0 ～ 45°的方位向范圍內維持較好的透波特性.結合圖6 與圖7 的仿真結果可知，該AFSS 平面的調控角域范圍為方位向0～30°、俯仰向0～30°.根據以上對電控角反射器的調控角域的分析可知，該電控角反射器的調控角域范圍較大，因此具有寬角域特性.

角反射器的廣義調控深度可拓展至不同二極管阻值下的RCS 差值，如圖5 中黃色區域所示通過改變偏置電流可達到的最佳吸波與最佳反射狀態.而介于最佳吸波和最佳反射狀態之間的電阻阻值(30～1 000 Ω)對應的AFSS 狀態同樣也對應吸波態，則不同阻值對應不同的調控深度，圖9(b)為俯仰角為30°下的方位向RCS 及調控效果，由對調控深度的定義可知，該調控深度曲線為阻值為30 Ω 的吸波態與阻值為1 000 Ω 的反射態之間的差值，因此可實現較為穩定的調控效果即多入射角度下接近的調控深度.綜上所述，可通過改變AFSS 材料中PIN 二極管的阻值以實現穩定的調控效果.

以圖9(b)中的調控深度曲線為例，分別取φ=30°、φ=45°、φ=60°三點，已知上述兩個入射波角度下調控深度均高于20 dB，但三者差值較大，想要實現上述入射角度下的穩定的調控深度，須改變該電控角反射器的AFSS 材料中的二極管阻值，從而改變調控深度，結果如表2 所示.由表2 可知，可通過改變二極管阻值(偏置電壓)改變電控角反射器的調控深度，從而實現穩定的調控效果.

表2 不同方位角下實現穩定調控對應的阻值和調控深度(θ=30°)Tab.2 The resistance and modulation depth corresponding to stable modulation at pitch angle of 30° and different azimuth angles

根據以上關于不同入射角度下電磁調控角反射器調控效果的分析可知，電磁調控角反射器的調控深度與入射波方向有顯著相關性，同時其調控頻段與單元結構的調控頻段一致.電控角反射器吸波態下的RCS 減小效果主要源于電磁材料對入射電磁波的調控.已知角反射器的后向散射主要來自于角反射器結構對入射波的三次反射不同入射角度下入射波按不同反射路徑實現多次反射，即角反射器的自身結構使其具有了寬角域特性.而人工電磁材料處于吸波態時則吸收了部分入射波能量及一次反射、二次反射能量，使得角反射器三次反射后的能量產生衰減，即接收天線處散射波功率密度減小，具體則表現為角反射器RCS 的減小.與此同時，其角反射結構導致的入射波多次反射同樣也使得電控角反射器可在較大的入射波角域范圍內特性可調，與仿真結果一致.此外，根據該電控AFSS 角反射器的動態調控特性，可在不同角度下通過改變對應的PIN 二極管實現廣義調控深度的改變，即設計的該電磁調控角反射器具有寬角域、特性可調、可穩定調控的特性.

4 電磁調控角反射器概述

4.1 電磁調控角反射器設計準則

綜合以上分析，相較于AFSS 單元，電磁調控角反射器具有更寬的調控角域.根據以上關于電磁調控角反射的調控角域分析可知，角反射器結構帶來的對入射波的回溯效果解決了AFSS 單元本身受角度影響大的問題，使得AFSS 單元選擇上具有更強的適應性，同時使得電磁調控角反射器的調控效果更具普適性.實際應用中，可通過調整電磁角反射器的偏置電流改變角反射器的雷達目標特性，拓展角反射器作為無源干擾裝置的使用范圍.

根據以上關于電磁調控角反射器的散射特性研究，給出電磁調控角反射器的設計思路及設計流程：電磁調控角反射器的設計應遵循從單元到整體，從平面結構拓展到三維立體的原則，其流程圖如圖11所示.

圖11 電磁調控角反射器的設計流程Fig.11 Design process of electromagnetic controlled corner reflector

4.2 電磁調控角反射器優點

以上關于電磁角反射器散射特性的分析，驗證了電磁調控角反射器具有以下優勢：

1)電磁調控角反射器散射特性動態可調.通過改變電磁調控角反射器的偏置電流大小可以實現對電磁波的調控，并且這種變化是具有實時性、靈活可調的，速度在微秒至納秒級，遠優于機械調控，且相較于傳統吸波體，具有多種調控效果，適用于更多場景.

2)電磁調控角反射器制作方法簡單、效果突出，同時后期可調.介質支撐層的厚度與諧振頻率緊密關聯，后期可通過調整介質支撐層厚度改變諧振頻率，解決了傳統角反射器一經加工便特性固定的問題.

3)電磁調控角反射器同樣具有傳統角反射結構的寬角域特性，相較于對入射角度敏感的平面AFSS 單元，電磁調控角反射器可實現在寬角域的靈活調控，并表現優良的吸波特性.

5 結 論

針對平面電磁材料對入射角度敏感帶來的使用場景限制，本文設計了一種加載AFSS 的電控角反射器，針對電磁調控角反射器的散射特性展開研究，實現了寬角域下的角反射器散射特性可調，調控效果可達20 dB 及以上，驗證了電控三面角的寬角域特性，解決了調控效果受入射波角度限制的問題，拓寬了角反射器的性能和使用范圍，對于降低高價值目標被非合作雷達探測的概率具有較大意義.同時給出了電磁調控角反射器的通用設計思路，以拓寬角反射器的適用范圍及對關鍵目標的保護效果.

本文研究了人工電磁材料對規則角反射結構電磁特性的影響，而實際裝備中的角反射結構可能為非規則異型結構，后續將基于裝備中的實際角反射結構展開電控非規則角反射器散射特性的設計及研究.