宽带雷达散射截面缩减超表面：一项集成可重构高选择性传输频带的技术
一、 主要作者、机构及发表信息
本研究由 Yuhong Ma、Weiwei Wu、Yuchen Yan、Shaozhi Wang、Wentao Yuan、Jingjian Huang 和 Naichang Yuan 共同完成。通讯作者为 Weiwei Wu。所有作者均来自国防科学技术大学复杂电磁环境效应国家重点实验室，其中Yuhong Ma现在国防科技大学电子对抗学院工作。该研究成果于2024年2月发表在 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 期刊上，文章标题为“Broadband RCS Reduction Metasurface with a Reconfigurable High-Selectivity Transmission Band”（宽带RCS缩减超表面与可重构高选择性传输频带），是该刊第72卷第2期的一部分。
二、 研究背景与目标
本研究属于微波工程和电磁超材料领域，具体聚焦于雷达散射截面缩减技术和可重构频率选择器件设计。随着现代雷达系统和通信平台的快速发展，对目标的微波隐身技术提出了更高要求，不仅需要在宽频带内有效降低雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS），还需要为目标上的通信天线提供高透波性能的“电磁窗口”。传统的频率选择吸波器（Frequency-Selective Rasorber, FSR）虽然能同时实现带外吸波和带内传输，但其传输带的矩形系数（选择性）通常不高，且难以实现传输频带的重构。现有研究在实现高选择性FSR或可重构FSR方面存在挑战：一方面，高选择性FSR的设计通常难以兼顾可重构性；另一方面，现有的可重构FSR设计往往需要复杂的馈电网络，且其通带选择性有待提升。
为此，本研究旨在提出并验证一种新的设计方法，以解决上述难题。研究的主要目标是设计并实现一种新型的超表面结构，该结构应同时具备以下三个关键特性：1）在宽频带内有效降低单站和双站RCS；2）拥有一个高选择性的传输通带；3）该传输通带的位置能够通过电控方式在不同频段间灵活切换，从而适应多模工作平台的需求。此外，研究还希望避免使用复杂的电阻焊接工艺和馈电网络。
三、 研究详细流程与方法
本研究的工作流程主要包括四个关键阶段：等效电路理论分析与可行性验证、关键物理结构设计、全波仿真优化与性能分析、以及样机制作与实验测量。
第一阶段：等效电路分析与设计原理验证。 研究者首先通过电路模型进行了深入的理论分析，为整个研究奠定了理论基础。他们分析了由两种不同人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor, AMC）单元组成的棋盘超表面实现宽带RCS缩减的原理。AMC通常由频率选择表面层、空气层和金属反射底板构成。通过控制两个AMC单元的反射相位差在宽频带内接近180度，可以实现散射相消，从而降低RCS。研究创新性地提出，将AMC单元的金属底板替换为一个可切换的带通型频率选择表面，即可在实现宽带RCS缩减的同时，引入一个传输通带。通过精心设计两种AMC单元（例如，基于串联LC谐振器的单元0和基于特定带阻滤波器的单元1a、1b）的频响特性，理论计算表明，将它们以棋盘格形式排列后，其组合结构不仅能在通带外实现RCS缩减，还能利用两个单元在通带两侧产生的传输零点，共同塑造一个高选择性的通带。通过改变底层带通FSS的通带位置（例如，设计成可切换至低频或高频通带），即可实现整个结构工作模式（全扩散、低频传输+扩散、高频传输+扩散）的重构。
第二阶段：物理结构设计与实现。 在理论指导下，研究者设计了具体的物理结构来实现上述概念。整个超表面由上层的棋盘超表面和下层的可重构FSS组成。 * 上层AMC设计： 设计了两款AMC单元。单元0采用简单的十字偶极子结构来实现单阻带特性，其等效电路为串联LC谐振。单元1采用耶路撒冷十字环结构来实现双阻带特性。通过优化其几何参数（如尺寸px=py=15.7mm等），并设定一个10.5mm的空气层厚度，使得两个AMC在3.03-9.28 GHz频带内的反射相位差满足-10 dB RCS缩减条件。 * 下层可重构FSS设计： 这是本研究的核心创新点之一。研究者提出了一种新颖的交错贴片结构（Staggered Patch Structure）作为可重构二阶带通FSS的基础。与传统贴片FSS不同，其顶层和底层的金属贴片是交错排列的，通过金属化过孔连接，这种结构本身可以等效为平行板波导。在此基础上，集成了PIN二极管（型号SMP1345-040LF）。通过控制顶层和底层贴片上PIN二极管的开关状态（导通/截止），可以改变单元的谐振特性，从而实现三种工作模式：模式00（二极管均截止，形成低频通带，中心约5.1GHz）、模式11（二极管均导通，形成高频通带，中心约7.1GHz）以及模式10（二极管状态不一致，实现全反射）。该设计巧妙地利用交错贴片结构作为直流偏置网络的天然通路，无需额外的复杂馈电线，简化了结构。
第三阶段：全波仿真与性能分析。 研究者使用商用软件CST Microwave Studio对整个集成结构进行了全波电磁仿真。仿真内容包括： * 传输与反射系数： 评估了三种工作模式下结构的传输性能（插入损耗、带宽）和反射特性。 * RCS缩减性能： 计算了在法向入射条件下，与同等尺寸金属板相比，该超表面的单站RCS缩减量。同时，研究了在不同极化（TE, TM）和不同入射角（如30度）下的性能稳定性。 * 散射方向图： 仿真了结构的双站散射方向图，直观展示了散射能量如何被扩散到非镜面方向。 * 布局优化分析： 为了进一步提升双站RCS缩减性能，研究者还探讨了两种AMC单元的排布方式：传统的棋盘格布局和交错三角形布局。通过阵列理论计算和全波仿真对比，证明交错三角形布局能产生更多但更弱的栅瓣，从而在更宽的空间角域内实现更好的RCS缩减效果。
第四阶段：样机制作与实验测量。 为验证设计的有效性，研究者加工制作了一个尺寸为196.4 × 196.4 × 14 mm³的原理样机。上层AMC和下层可重构FSS均采用介电常数为3.5、损耗角正切为0.001的F4BM-2板材。样机包含2×2个AMC超胞和12×12个可重构FSS单元，共焊接了2304个PIN二极管。实验在微波暗室中进行，分别测量了样机的传输系数和单站RCS缩减性能。测量时，通过施加0V或0.89V的直流偏压来控制PIN二极管的状态，从而切换工作模式。
四、 主要研究结果
研究通过仿真和实验，全面验证了所提出超表面的各项性能： 1. 模式切换功能： 实验成功实现了三种工作模式的灵活切换，与设计预期完全一致。 2. 传输性能： 在模式00下，测量得到一个中心频率为5.28 GHz、相对带宽12.2%、插入损耗1.12 dB的高选择性通带。在模式11下，测量得到一个中心频率为7.12 GHz、相对带宽7.73%、插入损耗1.91 dB的高选择性通带。通带两侧滚降陡峭，矩形系数优异。 3. RCS缩减性能： 在模式10（全反射模式）下，结构在3.26-9.7 GHz频带内实现了-10 dB RCS缩减，相对带宽高达99.4%。在模式00和模式11下，尽管存在通带，但其带外的-10 dB RCS缩减带宽也分别达到80.78%和83.68%。三维散射方向图清晰显示，能量被有效地扩散到四个主要波瓣，而非返回入射方向。 4. 双极化与角度稳定性： 结构支持双极化工作，交叉极化低于-40 dB。在TE波斜入射30度时，仍能保持良好的RCS缩减性能；对TM波斜入射则较为敏感，这与AMC的特性一致。 5. 布局验证： 仿真证实，采用交错三角形布局可以比传统棋盘格布局获得更优的双站RCS缩减性能。
这些结果之间存在清晰的逻辑链条：等效电路分析从理论上预言了“AMC+可切换FSS”方案实现高选择性可重构通带与带外RCS缩减的可行性；随后，基于交错贴片的新型可重构FSS设计成功实现了模式切换功能，并将其与优化好的AMC棋盘超表面集成；最终，全波仿真和实验测量数据相互印证，全面证实了该集成结构达到了所有预设目标。
五、 研究结论与价值
本研究的核心结论是：成功提出并验证了一种基于人工磁导体和可切换带通FSS的新型超表面设计范式，该范式能够有效实现宽带RCS缩减与可重构高选择性传输频带的集成。
其科学价值在于：1）丰富了可重构电磁超表面的设计理论和方法，特别是为如何在不使用电阻元件的情况下，通过散射相消原理和FSS模式的协同设计来同时调控传输与散射特性提供了新思路。2）提出的交错贴片可重构FSS结构具有创新性，它简化了多模切换所需的直流偏置网络，为设计紧凑、高效的双极化可重构器件提供了有价值的参考。
其应用价值显著：所设计的结构在未来隐身平台、多功能雷达罩、智能电磁屏蔽体等领域具有广阔的应用前景。例如，它可以让一个飞行器平台在需要隐蔽时工作在“全扩散”模式以降低被探测概率，而在需要通信时则切换到特定频段的“传输”模式，从而在不增加额外“天线窗口”的情况下实现射频功能的动态管理。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究者在讨论部分还展望了该设计范式的扩展性。例如，指出如果采用两个单谐振AMC单元组成的棋盘超表面，并结合变容二极管可调的带通FSS，则有可能实现通带频率连续可调的RCS缩减结构。这为后续研究指明了方向。同时，论文对双站RCS布局优化的探讨，也体现了对工程实际应用需求的深入考虑。