基于吸波-散射调控复合机理的雷达隐身超表面技术研究

Electromagnetic stealth metasurface is one of research hotspots in the field of radar stealth recently. Most of the existing stealth metasurfaces are based on single wave absorption or scattering manipulation mechanism and faced with contradiction between thin thickness, light weight and high stealth performance such as RCS reduction within wide frequency band or wide incident angle. It is expected that combing wave absorption and scattering manipulation mechanisms for radar stealth can break through the restriction relation between RCS reduction performance and thickness of metasurface with single stealth mechanism. Hence, this project makes exploration on novel compound stealth metasurface combing wave absorption and scattering manipulation mechanisms. This project first reveals the working principle of compound stealth metasurface and the efficient combination scheme for the two different basic stealth mechanisms, then develops unit cells with high performance and sets up efficient analysis-design systems for compound stealth metasurfaces applied to RCS reduction for planar and simple curved objects, respectively, and finally realizes thin and light conformal compound stealth metasurfaces with excellent angular and polarization stability over ultra-wide radar band for those objects. This project aims to beat the limitation posed on metasurfaces with single stealth mechanism. The implementation of this project will make important contribution to the development of radar stealth technology.

电磁隐身超表面是当前雷达隐身技术的研究热点之一。现有各种隐身超表面大多采用单一的吸波机理或散射调控机理，面临高隐身性能如宽频带、宽入射角度RCS缩减等与薄厚度、轻质量之间难以调和的矛盾。而将吸波和散射调控两种隐身机理相结合则有望突破单机理隐身表面的RCS缩减性能和表面厚度之间的相互制约关系。鉴于此本项目将探索融合吸波和散射调控两种机理的雷达隐身复合超表面技术。首先揭示复合超表面的隐身工作机理以及吸波、散射调控两种隐身机理的高效融合机制，其次开发出高性能的复合超表面单元，构建并完善分别应用于平板和简单曲面物体RCS缩减的复合超表面高效分析和设计体系，最终针对上述物体设计实现覆盖超宽雷达波段且对不同入射角度和极化具有高稳定性的轻薄共形复合超表面，克服单机理隐身表面的局限。本项目的实施将为雷达隐身技术的发展作出重要贡献。

电磁隐身超表面是雷达隐身技术的研究热点之一。现有各种隐身超表面大多采用单一的吸波机理或散射调控机理，面临高隐身性能与薄厚度、轻质量之间难以调和的矛盾。本项目针对这一问题开展融合吸波、散射调控两种隐身机理的新型复合隐身超表面的研究。首先是成功探索出多种吸波与散射调控相互融合的复合隐身机理，包括基于低频吸波-高频反相相消的复合隐身机理，基于低频吸波-中频反相相消-高频吸波的复合隐身机理，以及基于三频吸波-双频反相相消的复合隐身机理，这些机理都在一定程度上克服了单机理隐身表面的局限，实现了更宽的有效RCS缩减带宽。其次是开发出高性能轻薄复合超表面单元，构建并完善平板形状复合超表面的高效分析和设计工具，优化设计出覆盖宽雷达波段且对不同入射角度和极化具有较好稳定性的平板状复合超表面样机，通过全波仿真和实物测量完成对设计的验证。再次是优化设计出分别与圆柱侧面、圆台侧面共形的对不同入射角度和极化具有较好稳定性的曲面形态宽带复合隐身超表面，通过全波仿真完成对设计的验证。对于所设计的一款厚度仅6.2mm的复合隐身超表面样机，在正入射时，其实测镜面反射或单站RCS相比同等大小金属板降低10dB的工作频段为3.72GHz至12.78GHz（对TE极化），和4.15GHz至13.45GHz（对TM极化）；在斜20度入射波的激励下，在4GHz至13.65GHz 频段内样机的实测镜面反射或双站RCS相对于同等大小金属板降低了8.6dB以上（对TE极化）和7.8dB 以上（对TM极化），该复合隐身超表面样机的优良指数（定义为有效RCS缩减频带的上下限频率比与超表面的低频电厚度之比）达到了40.792，这一指标与同期其他课题组研发的具有同样结构复杂度的复合隐身表面的优良指数相当，甚至优于后者。本项目取得的成果对于雷达隐身超表面技术的发展具有很好的推动作用，为未来雷达隐身超表面的工程应用提供了一种潜在的高性价比方案。