2024全国智能超表面技术创新应用大赛决赛开放赛道入围作品展播系列之幅相共调制时空编码辐射隐身超表面研究、设计以及系统验证

幅相共调制时空编码辐射隐身超表面研究、设计以及系统验证

队名：超原子战队

参赛人员：吕天广、何泽雨、穆亚洁、王梦恬、李欣雨

指导老师：李龙、韩家奇

一、研究背景

在21世纪，隐身技术对于提升雷达的生存能力和工作效能至关重要。天线作为雷达系统的关键组件，其辐射与隐身的一体化设计成为研究重点。传统的隐身方法主要依赖天线罩和吸波材料，但实现辐射与隐身的集成设计仍面临挑战。超表面的出现为这一难题提供了新的解决方案。

为了实现辐射与隐身的综合控制，进而提出了将超表面与天线集成设计的思路。然而，早期的集成结构具有静态特性，不能动态调整。为了解决这个问题，进一步提出了可重构超表面与辐射结构的集成设计，以实现动态雷达截面（RCS）降低。但这些研究中，辐射结构仍不具有动态可调性。

数字可编程相控阵为动态控制辐射和隐身提供了新的可能。它具有不同的位分辨率，无需TR元件即可实现动态波束扫描。然而，将可重构超表面与数字可编程相控阵集成仍面临诸多挑战。目前的研究主要集中在可重构超表面与1-bit 可编程相控阵的集成上，但辐射相位控制受限，且超表面和相控阵工作在不同的频段，无法实现带内动态隐身和交叉极化隐身。

针对这些问题，本设计提出了一种幅相共调制的空时编码辐射隐身超表面,其具有辐射散射一体化与动态可调隐身的优势与特点，为实现雷达通信和动态隐身控制提供了一种新的解决方案。

二、核心技术方法

图1.辐射隐身超表面示意图

提出的辐射-隐身超表面原理图如图1所示。超表面单元可分解为辐射和散射两部分。其中散射超表面单元由加载两个PIN二极管的x极化结构和长条型y极化结构组成。用1和0分别表示PIN二极管的ON和OFF状态。PIN二极管状态为00和11时，超表面单元对入射电磁波具有1-bit反射相位调控。改变y极化结构尺寸，可以实现y极化1-bit反射相位调控。当PIN二极管状态为10和01时，可以实现1-bit辐射相位调控。然后在辐射结构后端接入小型化3dB耦合器。通过分别调控超表面单元和3dB耦合器上的PIN二极管，实现了2-bit辐射相位调控。于是，提出的辐射-隐身超表面实现了对辐射和散射的动态、独立的调控。

提出的超表面单元几何模型如图2所示。超表面单元由5个金属层和3个介质基底组成。金属层从上到下分别为辐射-隐身一体化集成结构层（x极化和y极化结构）、x极化辐射-隐身结构直流馈线层、y极化结构和3dB耦合器对应的直流馈线层、金属地和3dB耦合器层。

图2.辐射隐身超表面单元

提出的超表面的辐射和散射特性如图3所示。

图3.单元的性能。a)x极化辐射模式反射系数，b) 2-bit相位，c) x极化和y极化隔离度，d)辐射模式下的远场方向图。e)x极化散射模式反射系数，f)x极化散射模式下的1-bit相位。g)y极化反射系数，h) y极化1-bit相位。

三、实测结果

制作了12×12辐射隐身超表面，如图4a所示。并且进一步测试了该超表面的辐射和散射性能。

图4.a)制作原型。b)微波暗室测试。c)时空编码实验室设置。

1.辐射特性

通过控制阵列背面每个单元上的3db耦合器，可以实现对辐射单元的2-bit相位控制。这使得二维波束扫描无需TR组件。如图4a所示，阵列共提供9个射频接口。通过使用同轴电缆将9个射频接口连接到1比9功率分配器，测试了阵列的辐射特性。E面和H面测束扫描结果如图5a-f所示。可以观察到，在10.5 GHz时，E面和H面波束扫描范围均为-45°~ 45°。最大增益可达24.21 dBi。10.3 GHz和10.8 GHz的波束扫描特性与10.5 GHz相似。可见，该超表面具有良好的辐射特性。

在如图4b所示的微波暗室中测试超表面在散射模式下的辐射特性。测试得到的E面和H面波束扫描结果如图5g-5I所示。可以观察到，在10.5 GHz时，E面和H面波束扫描范围均为-60°~ 60°，但在±60°处，波束扫描副瓣较大。最大增益为19.28 dBi。10.3 GHz和10.8 GHz的波束扫描特性与10.5 GHz相似。

图5.辐射模式下测量阵列波束扫描：a) 10.3 GHz, b) 10.5 GHz, c) 10.8 GHz；d) 10.3 GHz, e) 10.5 GHz, f) 10.8 GHz。在辐射模式下的喇叭激励测量阵列波束扫描：g) 10.3 GHz, h) 10.5 GHz, i) 10.8 GHz     在E平面: j) 10.3 GHz, k) 10.5 GHz, l) 10.8 GHz。

2.空间编码隐身

在微波暗室中测试了12×12超表面的空间编码隐身性。在图4b中接收喇叭的位置放置一个发射喇叭，同时超表面保持在相同位置，用于测试RCS。在x极化测试RCS时，将编码模式调整为棋盘格模式。测试得到的RCS如图6a所示。可以观察到，在y极化平面波下，除了在10.2 GHz时减小到9.2 dB外，RCS减小到-10 dB的带宽约为9.85-11.3 GHz。RCS的最大降幅为-25.52 dB。在x极化平面波下，RCS降至-10 dB的带宽约为9.55 ~ 11.04 GHz。当x极化上的超表面处于吸收模式时，RCS降至-10 dB的带宽约为9.76 ~ 10.83 GHz。

3.时空编码隐身

如图4c所示，测试了超表面的时空编码特性。实验装置由接收/发射喇叭、超表面阵列、FPGA控制板、用于控制的笔记本电脑和矢量网络分析仪组成。发射喇叭连接信号源，接收喇叭连接矢量网络分析仪。采用矢量网络分析仪的频谱分析方式接收元表面反射的频谱信号。喇叭与超表面的距离为0.5 m，信号源发射功率为5dbm。将优化后的时间编码矩阵加载到FPGA中，如图6b所示。

将相同尺寸的金属板在相同的实验装置中进行测试。金属板的功率为-34 dBm。与金属板相比，超表面阵列的反射功率最大降低了23.2 dBm。图6c测试了在不同频率下进行空时编码的超表面反射功率。可以观察到，与金属板相比，在9.7-10.6 GHz范围内RCS降低了约10 dB。

图6.a)时空编码与天线吸收实现的RCS减缩。b)时间编码序列。c)时空编码的RCS减缩效果。频谱图d)辐射单元比例0%。e) 辐射单元比例30%, f) 辐射单元比例50%和g) 辐射单元比例70%。

4.幅相共调时空编码隐身

在图6b所示的时间编码序列下，阵列中一部分超表面切换为辐射模式时的频谱如图6d-g所示。阵列中不同辐射超表面比例（0%、30%、50%和70%）下的基频功率分别为-57.2 dBm、-59.2 dBm、-63.45 dBm和-66.5 dBm。通过幅相共调制时空编码，不仅基频功率分散到不同的谐波频率上，而且谐波功率随着辐射单元数的增加而减小。因此，幅相共调制空时编码方法可以有效降低超表面的RCS，实现高性能隐身能力。此外，幅相共调制空时编码方法也适合干扰，导致反射信号频率和幅度不同，使雷达难以识别目标。

四、结语

本文提出了一种具有时空振幅编码的辐射隐身超表面。超表面具有2-bit的辐射相位和1-bit的散射相位。在散射模式下，通过对反射相位进行时间调制，将中心频率处的功率转换为不同空间的谐波，从而降低RCS，实现隐身。此外，通过在交叉极化中以棋盘状排列超表面，使功率在空间上分布到不同的空间，进一步降低了RCS。在辐射模式下，不需要TR元件，通过2-bit相位调制即可实现二维波束扫描。此外，通过联合调制辐射和散射模式，可以实现幅相共调制的空时编码隐身特性。这允许不同的谐波功率随着时间的推移而减少。此外，辐射散射联合调制还可以使高次谐波的功率最大化，同时使基波最小，甚至消除基波。幅相共调制空时编码提高了超表面的伪装隐身能力，对提高装备的生存能力具有重要意义。最后制作了12×12原型机，验证了超表面的辐射和隐身特性。

通过将辐射与隐身设计相结合，实现了数字编码多功能超表面。辐射隐身超表面能够适应多种应用需求，在通信、雷达等领域具有广泛的应用潜力。辐射隐身超表面通过在单一平面结构上实现多种功能，降低了系统的复杂性和成本。可根据不同的工作环境和应用需求进行动态调整和实时优化。这种适应性和灵活性使超表面能够应对不同的电磁干扰和环境变化，从而提高系统性能和效率。

参考文献

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成员介绍

	吕天广, 现西安电子科技大学研究生 研究方向：智能超材料设计 在项目中负责直流控制板的设计。
	何泽雨，现西安电子科技大学研究生， 研究方向：智能超材料设计 在项目中负责阵列的设计和优化。
	穆亚洁, 现西安电子科技大学博士生， 研究方向：智能超材料设计 在项目中负责阵列的设计和优化。
	王梦恬, 现西安电子科技大学研究生, 研究方向：智能超材料设计 在项目中负责RIS单元的设计和优化以及RIS的测量。
	李欣雨, 现西安电子科技大学研究生。 研究方向：智能超材料设计 在此工作中，负责整体规划和任务执行。

指导老师

	李龙,教授,博士生导师。
于1998年和2005年分别获得西安电子科技大学电磁场和微波技术专业的学士学位和博士学位。于2006年在香港城市大学无线通讯研究中心担任高级研究员。2006年至2008年，作为JSPS研究员访问了日本仙台东北大学。于2014年加入美国宾夕法尼亚州立大学，担任高级访问学者。现任西安电子科技大学电子工程学院教授，兼任西安电子科技大学高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室主任，家级领军人才,陕西省杰出青年基金获得者,爱思唯尔中国高被引学者, IET Fellow。在期刊上撰写或合作撰写了180多篇论文，拥有40多项专利。 主要研究方向:智能超材料,超材料天线与微波器件,无线能量传输与收集,电磁兼容等。 负责对本次竞赛作品的指导。
	韩家奇,副教授,硕士生导师。 超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室副教授。
主要研究方向:智能超材料,超材料天线与微波器件,无线能量传输与收集,电磁兼容等。 负责对本次竞赛作品的指导。

–本文完–