寬頻帶吸波/反射狀態可電控切換龍伯透鏡反射器設計

吳禎 支迦豪 李榮浩 武亞君 曹群生* 王毅

（1.散射輻射全國重點實驗室, 上海 200438；2.南京航空航天大學電子信息工程學院, 南京 210016）

0 引 言

隨著衛星通信和雷達隱身技術的迅速發展，雷達作為一種對飛行器、艦船、導彈等目標物體進行偵查和識別的電磁設備備受關注.雷達散射截面(radar cross section, RCS)作為一種度量待測目標物體在入射電磁波的照射下產生的回波強度，是衡量隱身性能優劣的一項重要指標，可應用于目標識別、雷達抗干擾和電磁隱身等領域[1]，因此對目標物體RCS 的研究至關重要.

在現代電子對抗中，反射器發揮了舉足輕重的作用，最常見的角反射器可以產生較大的RCS，模擬飛行器或者艦船等目標物體的雷達反射信號特征.與角反射器類似的還有龍伯透鏡反射器，具有增大目標物體的RCS 的特性，且反射性能更加優良，可提供無源寬帶且廣角的雷達信號增強[2-3].

龍伯透鏡為球型對稱結構，理論表明，龍伯透鏡由內到外的相對介電常數 εr漸變.球體的最內層到最外層的相對介電常數逐漸從 2.0 變化到 1.0[4-5].透鏡球內任一點處的εr與所處位置r的關系為[6-7]

式中：r為球內任意點到球心的距離；R為透鏡的半徑.計算可得1≤ εr≤2.

傳統的龍伯透鏡反射器是由龍伯透鏡和涂敷其表面的金屬或者加載的金屬板構成，是電子對抗中最重要的虛假目標和雷達誘餌之一[8-9]，可提供無源寬帶并且廣角的雷達信號增強，具有相對較大的RCS 和較寬的散射寬度，理論上RCS 比具有相同尺寸的角反射器大30 倍[10-12].在目標特性變化的復雜電磁環境下，改變目標的RCS 的研究備受關注.文獻[13]提出了龍伯透鏡有源反射器功能可切換的設計，實現了頻率4.2 GHz 的反射/透射功能可切換.

本文將有源頻率選擇表面(active frequency selective surface, AFSS)設計技術引入龍伯透鏡反射器中，利用PIN 二極管的微波開關，設計了一款寬頻帶功能可切換的龍伯透鏡反射器，實現對入射電磁波在整個X 波段的工作狀態可切換，并實現了RCS幅度可調功能.

1 AFSS 反射器的電性能仿真分析

1.1 AFSS 單元的設計

圖1 為具有寬帶吸波/反射功能可切換的AFSS 整體結構，包括金屬貼片、金屬通孔、介質基板、空氣層、金屬地板和偏置饋線電路，其中PIN 二極管等有源器件的偏置饋線網絡嵌入在AFSS 的單元結構中，可減少有源器件專用的饋線網絡給AFSS 帶來的一些寄生參數的耦合效應[14-15].圖1(a)與(b)分別為AFSS 層的上、下結構，結構的介質基底為F4BME 材料，相對介電常數為2.2，金屬貼片單元刻蝕介質基板上，且一個完整AFSS 單元上有8 個金屬通孔，部分金屬貼片通過這些金屬通孔從下層連接起來.

圖1 寬帶吸波/反射功能可切換的AFSS 單元Fig.1 Wide-band absorption/reflection function switchable AFSS unit

AFSS 結構的單元周期p為30 mm，上層金屬貼片寬度w為2 mm，每個單元包含8 個SKYWORKS制造商制造的SMP1320 型號SOD323 封裝的PIN 二極管和16 個阻值為240 Ω 的電阻.放置電阻和PIN 二極管的兩貼片寬度l1和l2分別為1 mm 和1.2 mm，介質基板厚度h1為0.8 mm，空氣層厚度h2為7 mm，金屬通孔半徑r為0.25 mm，介質基板下層金屬長度l3為4.6 mm.

1.2 AFSS 單元的等效電路分析

為驗證提出的AFSS 結構的正確性，利用等效電路模型(equivalent-circuit model, ECM)對結構進行預分析.圖2 分別繪制了PIN 二極管在導通（ON）和截止（OFF）狀態下的ECM.當PIN 二極管處于ON 狀態時，可以用一個1.5 nH 的電感Lon和一個0.75?的小電阻Ron串聯表示；當PIN 二極管處在OFF 狀態下，PIN 二極管可以建模為一個0.23 pF 的電容Coff.AFSS 結構上層的金屬貼片可以等效為電感Ls，水平金屬貼片和垂直金屬貼片之間的間隙可以等效為電容Cs，上層金屬和下層金屬貼片連接的金屬通孔可以等效為電感Ls1，PIN 二極管和集總電阻的間隙可以分別建模為兩個電容Cs1和Cs2.介質基板可以用特性阻抗為Z1=的傳輸線來表示，其中Z0是自由空間的特性阻抗.

圖2 AFSS 單元的ECMFig.2 Equivalent circuit model of the AFSS unit

運用射頻電路仿真軟件ADS 模擬ECM，并計算AFSS 單元的反射系數.當PIN 二極管處于ON 狀態時，優化后的ECM 參數分別為Ls=6.3 nH、Cs=0.24 pF、Ls1=0.98 nH、Cs1=0.156 pF、Cs2=0.035 pF 和Rs=471 ?；當PIN 二極管處于OFF 狀態時，ECM 優化參數分別為Ls=6.73 nH、Cs=0.126 pF、Ls1=0.35 nH、Cs1=0.163 pF、Cs2=0.025 pF 和Rs=478 ?.AFSS 單元結構最下層是金屬地板，根據反射參數變化實現AFSS 不同功能的切換.圖3 為ADS 計算和全波電磁仿真軟件CST 仿真的反射系數結果.當PIN 二極管處于ON 狀態時，AFSS 表現為反射狀態；當PIN 二極管處于OFF 狀態時，AFSS 表現為吸波狀態.導通狀態的AFSS 在X 波段內反射系數均在?5 dB 以上，具有良好的反射特性；截止狀態的AFSS在X 波段均在?15 dB 以下，具有良好的吸波特性，AFSS 結構在兩種狀態下的隔離度超過15 dB，有明顯的切換功能.還可看出，ADS 計算結果與CST 仿真結果基本一致，諧振頻點稍微有點頻偏，且諧振深度不同，但均在可接受范圍之內，驗證了提出的AFSS 結構的正確性.

圖3 AFSS 在PIN 二極管不同狀態下的反射系數Fig.3 Reflection coefficient of AFSS in different states of PIN diodes

1.3 AFSS 單元的角度穩定性分析

通常反射板會以某一入射方向(如法向方向)為基準固定在龍伯透鏡的焦點處，由于平面波通過龍伯透鏡后會有聚焦效應，入射到AFSS 反射板的方向會發生改變，因此我們所提出的龍伯透鏡反射器對角度穩定性有較高的要求.另一方面，AFSS 反射器中的FSS 單元對入射的不同極化電磁波需要對稱性來強化極化選擇性，并可以利用小型化技術來設計AFSS 單元，以提高不同極化方式下的角度穩定性.

通過CST 進行仿真和分析AFSS 單元對TE 極化狀態的角度穩定性，圖4 為AFSS 單元從0°～30°角度下的反射系數參數.可以看出，TE 極化下ON 和OFF 狀態AFSS 單元的諧振頻率在0°～30°基本保持不變，即在導通時反射系數在諧振頻點處小于?10 dB，截止時反射系數大于?5 dB，表現出良好的角度穩定性.由于AFSS 對角度的不敏感，在入射角較大時仍能保持良好的反射和透射性能，可以滿足加載AFSS 龍伯透鏡反射器的要求[16].

圖4 TE 極化下AFSS 在0°～30°的反射系數Fig.4 Reflection coefficient of AFSS for TE polarization at 0°?30°

2 X 波段的龍伯透鏡設計

設計層數為10、直徑為305 mm 的龍伯透鏡，其最內層的半徑一般為0.4R～0.6R，R為龍伯透鏡的半徑，選取最內層半徑為80 mm，即0.525R.為盡可能減少損耗，其他每層球殼的厚度為 λ/4～λ/2，λ 選取X 波段中心頻點10 GHz 處的波長，為30 mm.剩余的九層中每層厚度約8 mm，介于λ/4=7.5 mm 和λ/2=15 mm 之間.采用CST 對龍伯透鏡進行電磁建模，圖5 為其示意圖，相應龍伯透鏡各層的特性參數如表1 所示.

表1 X 波段龍伯透鏡特性參數Tab.1 X-band Luneburg lens characteristics

圖5 龍伯透鏡切面示意圖Fig.5 Schematic diagram of the Luneburg lens section

2.1 透鏡焦點位置的確定

圖6 為10 GHz 平面波入射時，電場強度沿龍伯透鏡的水平z軸上的分布，其在距球心141 mm 的位置上的電場強度最大.選擇龍伯透鏡外部電場強度最大的點作為焦點，將饋源或AFSS 反射板置于焦點處，從圖6 可以看出在龍伯透鏡外部電場強度最大的位置是在距離球心160 mm 處，即焦點位置處.

圖6 10 GHz 平面波入射龍伯透鏡后沿水平z 軸的電場強度Fig.6 Electric field intensity distribution of Luneburg lens along z-axis when plane wave incident at 10 GHz

圖7 為10 GHz 頻率下TE 極化的平面波入射到龍伯透鏡的電場圖，可以看出龍伯透鏡表現出良好的聚焦特性.

圖7 龍伯透鏡焦點Fig.7 Focal point of the Luneburg lens

2.2 透鏡天線高增益的驗證

為驗證所設計的直徑為305 mm 的 10 層X 波段龍伯透鏡的高增益特性，在龍伯透鏡的焦點處放置一個X 波段的角錐喇叭，如圖8 所示.

圖8 龍伯透鏡天線仿真模擬圖Fig.8 Simulation diagram of the Luneburg lens antenna

圖9 為龍伯透鏡天線與未加載龍伯透鏡的角錐喇叭方向圖的對比.可以看出，角錐喇叭天線在未加載龍伯透鏡時的增益為12.9 dBi，而龍伯透鏡焦點處放置天線后的增益提高到了27.2 dBi，表明龍伯透鏡可明顯提高增益.

圖9 龍伯透鏡天線與角錐喇叭在頻率10 GHz下的輻射方向圖Fig.9 Radiation patten of the Luneburg lens antenna and pyamid horn at 10 GHz

3 寬頻帶功能可切換AFSS 反射器的仿真驗證

當龍伯透鏡設計完成后，AFSS 寬頻帶功能可調反射器需要針對不同工作頻率的入射平面波經過龍波透鏡產生的狀態變化進行研究.龍伯透鏡有源反射器由一個10×10 單元組成的AFSS 構成，AFSS 反射板放置在距離球心160 mm 的焦點位置，圖10 為龍伯透鏡反射器的結構示意圖.

圖11 為在8 GHz、9 GHz、10 GHz、11 GHz 和12 GHz 頻點下龍伯透鏡RCS 仿真值.當PIN 二極管處于ON 狀態時，AFSS 反射板處于反射狀態，五個頻點對應的龍伯透鏡反射器單站RCS 均在15 dB 左右；當PIN 二極管處于OFF 狀態時，也就是AFSS 反射板處于吸波狀態時，五個頻點對應的龍伯透鏡AFSS 反射器單站RCS 均在6 dB 左右.可見龍伯透鏡AFSS 功能可切換反射器具有明顯的RCS 可調特性，其與AFSS 吸波狀態相比，反射狀態反射系數大小有很明顯的提升.

圖11 五個頻點下龍伯透鏡反射器的RCS 仿真結果Fig.11 RCS simulation result for the Luneburg lens reflector at five frequencies

4 龍伯透鏡反射器的實物驗證與結果分析

4.1 實物制作

直徑為305 mm 的10 層龍伯透鏡實物如圖12所示.采用標準PCB 板為龍伯透鏡反射器的AFSS 反射板，在F4BME 介質基底的上下表面制作了10×10 單元的金屬周期陣列，金屬單元采用35 μm 厚度的銅，并且對表面進行沉錫處理，如圖13 所示.最終加工后的AFSS 反射板總體尺寸為361 mm ×361 mm，四周以及中間分別用了四根尼龍柱來固定金屬地板和刻有AFSS 結構的介質層，保證了中間空氣層的厚度.

圖12 龍伯透鏡、AFSS 反射器以及測試固定薄膜Fig.12 Luneburg lens, AFSS reflector and testing fixed film

圖13 AFSS 反射板實物圖Fig.13 Fabricated measured prototype of AFSS

4.2 測試結果與分析

圖14 為龍伯透鏡反射器的測試環境圖.CST 仿真模擬中選用平面波激勵，實際測試過程滿足遠場條件時天線發射的電磁波近似為平面波，因此保持收發天線到轉臺距離約為2 m，并將放置在EPS 泡沫圓形凹槽中央的龍伯透鏡連同AFSS 反射器固定在轉臺裝置，使得反射器正面與天線信號發射方向垂直，即0°角度入射.圖15 為X 波段的電磁波垂直入射龍伯透鏡反射器時，在PIN 二極管處于ON/OFF 狀態下測試的反射系數.可以看出：AFSS 反射板處于反射狀態的反射系數均在?5 dB 以上；而當處于吸波狀態時，8～9.25 GHz 內反射系數低于?20 dB，9.25～12 GHz 反射系數在?20 dB 左右.兩種狀態下反射系數的起伏度均大于15 dB，且測試結果和仿真結果具有良好的一致性，說明龍伯透鏡反射器具有良好的寬帶反射/吸波可切換的功能.

圖14 龍伯透鏡反射器測試環境Fig.14 Measurement environment for the Luneburg lensreflector

圖15 龍伯透鏡AFSS 反射器反射系數測試值與仿真值Fig.15 Comparison of measured and simulated values of the reflection coefficient of the Luneburg AFSS reflector

為測量單站RCS，采用半徑為9 cm 的金屬球作為參考定標物體，設被測物體的未知RCS 為 σu，可由公式(2)計算[17]：

式中：S11_u和S11_ref分別為未知目標和參考目標在矢量網絡分析儀中測量的反射系數； σref為參考定標物體的RCS.

圖16 分別為8 GHz、9 GHz、10 GHz、11 GHz 和12 GHz 五個頻點下的單站RCS 測試值.可以看出：當PIN 二極管處于ON 狀態時，五個頻點下的龍伯透鏡AFSS 功能可切換反射器的單站RCS 均在 9 dB 左右；當PIN 二極管處于OFF 狀態時，五個頻點下的龍伯透鏡AFSS 功能可切換反射器的單站RCS 均在1 dB 左右.可以看出這五個頻點下龍伯透鏡AFSS 反射器可以實現RCS 的變化，且有很明顯的RCS 增強特性.測試結果與仿真結果較為一致但存在誤差，當PIN 二極管處于ON 狀態時，實測的單站RCS 值未能達到仿真值的15 dB，AFSS 反射板在低頻時的吸波深度沒有仿真時明顯.這是因為仿真使用的PIN 二極管等效模型和實際的PIN 二極管性能指標有差異，且龍伯透鏡加工中產生的誤差會影響龍伯透鏡的焦點位置和對平面波的聚焦特性.

圖16 五個頻點下龍伯透鏡反射器的RCS 測試值Fig.16 RCS measured values for the Luneburg lens reflector at five frequencies

表2 分別從反射器是否為有源、工作狀態以及工作帶寬三個方面，將本文設計的龍伯透鏡 AFSS 反射器與公開發表文獻中的龍伯透鏡反射器功能等進行比較.可以看出，本文提出的龍伯透鏡反射器的工作狀態可靈活切換，并且具有較寬的工作帶寬，具有更廣泛的應用領域.

表2 本文提出結構與其他反射器的對比Tab.2 Comparison of the reflector structure in this paper and other literatures

5 結 論

本文提出了一種工作在X 波段且吸波/反射功能狀態可電控切換的龍伯透鏡反射器，對入射電磁波實現了工作狀態可切換，實現了RCS 可調的功能.并設計了一款直徑305 mm 的10 層介質龍伯透鏡， 通過研究龍伯透鏡的聚焦效應、電場強度分布和龍伯透鏡對角錐喇叭方向圖的影響發現， 加載龍伯透鏡的天線增益相對提高了14.3 dBi.實物測試結果表明，10×10 單元的AFSS 反射板在X 波段內實現了吸波/反射兩種工作狀態可切換，對應的反射參數的起伏度均大于15 dB，當PIN 二極管處于ON/OFF 狀態時，測試的X 波段內龍伯透鏡AFSS 功能可切換反射器的單站RCS 分別約為 9 dB 和 1 dB.實驗結果驗證了所設計的基于AFSS 功能可切換的龍伯透鏡反射器的正確性，也正是因為其功能可切換，RCS 可調以及帶寬相對較寬的特點，相較于其他傳統的無源反射器更能適應復雜的電磁環境.

在未來龍伯透鏡透鏡不再局限于結構傳統的球狀，近些年，隨著超材料技術和 3D 打印的技術不斷更新以及轉換光學的理論的提出，這樣一來利于與其他結構進行共形設計，作為天線時與饋電系統集成更加方便.同時以后會更加關注柔性AFSS 共形技術的研究，柔性的 AFSS 易于彎曲并且可作為曲面反射板，在實際應用中曲面反射板更利于與龍伯透鏡集成，這樣的設計更滿足實際應用的需求.