有源频率选择表面在龙伯透镜反射器RCS 控制中的应用

安君帅，陈 章，吴东辉

（南京熊猫汉达科技有限公司 江苏 南京 210016）

0 引言

龙伯透镜是R. K. Luneburg 在1944 年基于几何光学理论提出的一种分层均匀介质球［1-3］，龙伯透镜的最内层的相对介电常数是2，最外层球面的相对介电常数是1，介电常数分布是1 ～2 的均匀连续分布的介质球，实际都是用有限的层数来逼近，并且从内到外的每层的相对介电常数满足特定的规律。 因为其具有特殊的介电常数分布，所以它对入射电磁波进行聚焦形成焦点。 如果在焦点处放置金属反射板，就形成了龙伯透镜反射器，一方面可以有效增强这个方向的单站雷达散射截面（radar cross section，RCS）；另一方面，如果在焦点处放置馈源天线，就可以形成龙伯透镜天线，该天线具有宽带、增益高、多波束等优点，被广泛应用在卫星通信领域。 而龙伯透镜反射器通常用来增强靶机、战斗机、舰船和渔船的RCS，以便我方雷达探测，在电子对抗、雷达反射器等领域有着非常重要的应用价值。 但是，龙伯透镜反射器的RCS 增强特性通常固定不变，然而在一些特殊情况下需要改变它的RCS 增强特性［4］。 对于龙伯透镜反射器RCS 的研究大多集中在龙伯透镜的本身，对于其RCS 控制的研究较少，因此研究可以调控RCS 的龙伯透镜反射器十分有意义。

频率选择表面（frequency selective surface，FSS）是一种在二维平面上周期性排布在介质衬底上的金属贴片或者缝隙单元组成的结构，而有源频率选择表面（active frequency selective surface，AFSS）是一种在频率选择表面中加入PIN 管、变容二极管等有源器件的人工电磁新材料。 由于有源器件的特性通常受电压控制，因此通过在AFSS 上加载直流偏置网络，就可以实现对其频率、相位特性的主动调控。 它是一种可以对电磁波进行选择的滤波器，可以通过设计在特定频段对电磁波进行特定的吸收、透射和反射，可以被广泛应用在电磁隐身、智能蒙皮、雷达天线罩、电子对抗等军事领域中，因而具有非常重要的研究价值。

AFSS 和龙伯透镜本身应用价值较大，因此关于AFSS和龙伯透镜的研究很多，但是大多数集中在龙伯透镜反射器和AFSS 本身，利用AFSS 来控制龙伯透镜反射器的研究很少。 由于AFSS 可以主动调控自己的反射和透射状态，因此，本文创新性地将AFSS 和龙伯透镜反射器结合，设计一种透射和反射状态可切换的AFSS 阵列来代替龙伯透镜反射器的反射板，构成了新型龙伯透镜反射器，进而可以主动调控龙伯透镜反射器的RCS。

1 具备透射和反射状态可切换功能的AFSS 设计

龙伯透镜反射器的金属反射板是用来对焦点处的电磁波进行反射的，因此，只要设计出具有反射和透射功能可调的AFSS，就可以代替反射板，图1 是设计的透射和反射状态可切换的AFSS 的单元结构图，在金属圆环贴片缝隙结构中对称地加入四个PIN 二极管，调节PIN 二极管的通断状态，进而控制AFSS 在透射和反射状态之间切换［5］。 经过商用电磁仿真软件CST 优化后，单元尺寸参数如下：a＝4 mm，b＝4.5 mm，p＝10 mm，h＝0.5 mm，w＝0.2 mm，介质底板的相对介电常数ε＝2.2。

图1 透射反射型AFSS 单元结构

利用CST 对AFSS 进行仿真时，PIN 二极管断开状态可以模拟为50000Ω 的电阻与0.12 pF 电容的串联，而导通时可以模拟为1 Ω 的电阻和0.7 nH 电感串联，AFSS 仿真时边界条件如下：x和y方向边界条件为“Unit cell”，z方向边界条件为“open and add space”。 仿真结果如图2所示，PIN 处于断开状态时，在11.5 GHz 左右，S11小于-10 dB，处于透射状态；当PIN 处于导通状态时，在11.5 GHz 时，S11大于-3 dB，处于反射状态，可以认为，在该频点附近AFSS 能够进行透射和反射状态的主动切换。

图2 AFSS 的S11 仿真结果

AFSS 上内嵌的PIN 二极管需要加载直流偏置电压网络进行通断状态的控制，为此设计了馈电网络。 如图3 所示，AFSS 正面的圆形贴片通过金属通孔和背面的十字型金属连接起来，在正面金属部分直接加电压负极，在背面的金属馈线加电压负极，就可以使得PIN 二极管导通，不加电时，PIN 二极管处于断开状态。

图3 AFSS 馈电网络示意图

2 新型龙伯透镜反射器设计

2.1 龙伯透镜性能仿真验证

设计的龙伯透镜共有三层，由内到外，每层厚度依次为2.88 cm、1.83 cm、2.01 cm，每层相对介电常数依次为1.96、1.8、1.49［6-8］。 利用CST 对龙伯透镜聚集特性进行仿真验证，11.5 GHz 的水平极化平面电磁波照射下，龙伯透镜的近场分布如图4 所示，可以观察到左侧龙伯透镜外表面附近存在明显焦点，说明该龙伯透镜可以对电磁波进行聚焦。

图4 龙伯透镜在11.5 GHz 时的焦点仿真

2.2 新型龙伯透镜反射器RCS 仿真验证

在图5 中，利用设计的AFSS 的7×7 阵列来取代龙伯透镜反射器的反射板，该阵列到龙伯透镜的球心距离d＝200 mm。 在频率11.5 GHz 时，设置平面波入射，利用CST对新型龙伯透镜的单站RCS 进行仿真。 Theta 为90°～270°内的RCS 仿真结果如图6 所示，当控制PIN 二极管断开时，AFSS 处于透射状态，龙伯透镜反射器的RCS 不会明显增强，而当控制PIN 二极管处于导通状态时，此时AFSS 具有反射功能，170°～190°范围内的RCS 约有20 dB的增强，仿真结果说明新型龙伯透镜反射器的RCS 是可以调控的［9-10］。

图5 新型龙伯透镜反射器示意图

图6 新型龙伯透镜反射器RCS 仿真结果

对上述结果进行分析，PIN 二极管断开时，AFSS 和金属板功能一样，可以反射龙伯透镜焦点处的电磁波，所以可以增强这个方向的单站RCS；而当PIN 二极管导通时，AFSS 处于透射状态，龙伯透镜焦点处的电池波大部分从AFSS 上透射出去，因此无法增强RCS。

为了提高新型龙伯透镜反射器的功能，研究人员可以从AFSS 的优化设计入手，比如提高AFSS 角度稳定性，使得其在大角度入射下保持稳定的性能。 为了控制龙伯透镜反射器增强RCS 的角度范围，一方面可以控制AFSS 工作在反射状态下的阵列个数，比如7×7 的阵列中有3×3处于反射状态，其他处于透射状态，此时相当于控制反射板的面积，从而达到控制龙伯透镜反射器增强RCS 的角度范围。 另一方面，龙伯透镜反射器在实际应用中，其金属反射板多是曲面，因此可以对曲面AFSS 进行仿真优化，设计出具有良好性能的曲面AFSS 阵列，来代替金属反射板，可以更加有效地增强RCS。

本文仅仅研究了透射和反射状态可以切换的AFSS对龙伯透镜反射器RCS 主动调控的办法，而AFSS 功能繁多，种类很多，利用其他类型的AFSS 来代替反射波的功能，如具备反射和吸波功能可调控的AFSS，也可达到控制其RCS 的目的。

3 结论

本文设计了一款在11.5 GHz 附近可以主动切换透射和反射状态的AFSS，对AFSS 馈电网络进行了设计，并且利用该AFSS 阵列来代替龙伯透镜反射器的反射板，能够在170°～190°范围内主动调控龙伯透镜反射器的单站RCS，并且对AFSS 代替反射板的原理进行详细分析，阐述了新型龙伯透镜反射器的后续研究方向，在电子对抗、雷达增强等领域有着重要的潜在军用价值。