电磁超表面实现超宽带隐身的机理与应用研究

Electromagnetic metasurface is a two dimensional ultrathin array composed of artificial unit cells, and its low profile and conformal ability make it more suitable for radar cross section (RCS) reduction. Reflection phase control is the key to achieve the stealth of complex objects. The present researches focus on the backscattering field reduction realized by 180° reflection phase difference of two kinds of unit cells, however, the RCS reduction bandwidth and bistatic RCS reduction magnitude are very limited. This project intends to propose the global destructive interference and the piecewise destructive interference to realize RCS reduction of complex objects over all directions in ultra-wideband. Based on the design and optimization of geometric parameters and arrangement of all unit cells in ultra-wideband, these two techniques suppress the scattering field over all directions in the lowest level, and realize the diffusion of electromagnetic waves. In this project, for strong scattering objects including dihedral corner reflector, trihedral corner reflector, cylinder, and antenna array, the scattering properties and stealth mechanism of the conformal metasurface are studied in deep. Furthermore, the improvement of these two destructive interference techniques are discussed theoretically. This project will provide the idea and method for RCS reduction of complex objects over all directions in ultra-wideband. This research is very important to the development of stealth technology.

电磁超表面是一种由人工结构单元构造的超薄二维阵列平面，低剖面、易于共形等特点使其更适用于复杂目标雷达散射截面（RCS）减缩，对超表面反射相位进行调控是实现复杂目标隐身的关键。现有的研究主要应用两种周期单元180度相位差的相消干涉来实现后向散射场的减缩，而隐身带宽和双站RCS减缩幅度非常有限。为了实现复杂目标在超宽带和全方位的隐身，本项目拟提出全局相消干涉技术和分段相消干涉技术，这两种技术基于在超宽带内所有单元结构参数与排布方式的优化设计，使得空间各个方向的散射场均达到最低，从而实现电磁波的漫散射。本项目针对二面角、三面角、柱面等强散射目标以及表面安装天线阵列等有源目标结构，研究共形电磁超表面的散射特性和隐身机理，以及电磁超表面共形后全局与分段相消干涉在理论和方法上的改进。本项目的研究将从理论与系统的角度给出降低复杂目标在超宽带和全方位RCS的设计思路和方法，对隐身技术的发展具有重要意义。

电磁超表面是一种由人工结构单元构造的超薄二维阵列平面，低剖面、易于共形等特点使其更适用于复杂目标雷达散射截面（RCS）减缩。现有的研究主要应用两种周期单元180度相位差的相消干涉来实现后向散射场的减缩，而隐身带宽和双站RCS减缩幅度非常有限。为了实现复杂目标在超宽带和全方位的隐身，本项目的主要研究工作及取得的创新成果包括：1）深入研究了二元相消干涉技术，重点是设计在宽频段内具有180°±37°反射相位差的新型周期单元，以扩展金属平板RCS减缩带宽。2）深入研究了极化转换相消干涉技术，设计几种在超宽频段内具有高极化转换率的新型周期单元。3）提出一种全新的相位调控方案，即多元相消干涉技术，进一步扩展RCS减缩带宽。4）研究了非平坦超材料多元相位相消技术以扩展雷达散射截面（RCS）减缩的带宽。5）提出了基于缺陷晶格和多波相消干涉的超表面以实现超宽带雷达散射截面减缩技术。6）研究了基于极化变换和相消干涉原理的超表面，以实现共极化和交叉极化超宽带单双站雷达散射截面减缩。7）研究了通过对电磁波共极化分量和交叉极化分量进行幅相调控而实现电磁波多自由度调控的超表面。8）研究了基于相位梯度超表面的宽带、高增益圆极化透镜天线。9）研究了基于阵列理论和多元相消原理的共形超表面，以实现针对曲面目标的宽带雷达散射截面减缩。10）研究了电磁超表面在天线阵RCS减缩中的应用。本项目的研究从理论与系统的角度给出降低复杂目标在超宽带和全方位RCS的新设计思路和方法，对隐身技术的发展具有重要意义。发表SCI检索论文27篇。项目执行期间，培养博士生4名，硕士生16名。