一种低调的、具有自我隐身功能的可编程超表面，能够同时降低带内和带外的雷达反射系数（RCS）

《Research》：A Low-Profile Self-Stealth Programmable Metasurface with In-Band and Out-of-Band RCS Reduction

可编程超表面通过动态相位调制和结构设计实现工作频带内外多频段雷达散射截断（RCSR）降低，采用PIN二极管和桥接结构独立调控X/Y极化，顶部与中间层分别引入低/高频寄生结构实现自隐身特性，0.065λ超低剖面无需额外吸波材料，12×12阵列实验验证了±45°波束扫描、全极化隐身及70.7%超宽频带（3.6-7.47GHz）RCSR性能。

　　
近年来，可编程超表面在雷达隐身技术领域展现出重要应用价值。本研究针对传统可编程超表面存在的带外隐身依赖吸波材料或高剖面结构等局限性，提出了一种新型低剖面自隐身可编程超表面设计。该技术通过结构创新实现了带内与带外多频段雷达散射截面积（RCSR）抑制的协同控制，无需额外吸收层或罩体，剖面高度仅为0.065倍入射波波长（λ），显著优于现有方案。

### 一、技术背景与研究现状
雷达散射截面积（RCS）抑制是隐身技术的核心指标。传统方法主要依赖吸波材料或复杂结构设计，存在剖面过高（如文献[50]采用0.51λ结构）、多频段协同控制困难等问题。可编程超表面凭借其动态调控能力（相位、极化、频率等）成为新型隐身技术的研究热点。现有研究（如文献[26,29]）虽实现了波束扫描与单频段RCSR抑制，但在多频段协同控制、极化独立调节等方面仍存在不足。

### 二、创新性设计与实现原理
#### 1. 多频段复合结构设计
该超表面采用分层寄生结构设计，在保持低剖面（0.065λ）的前提下，实现了五个频段（3.6-7.47GHz）的RCSR抑制：
- **带内控制（5.2GHz）**：通过集成PIN二极管和桥接结构，实现X极化180°相位调制，同时Y极化通过几何尺寸调整（±0.3mm）获得独立相位控制
- **带外低频段（3.6-4.3GHz）**：顶层4组分支结构（尺寸15-21mm）与底层4组交叉哑铃结构（旋转45°）协同作用，形成双低频谐振模式
- **带外高频段（6.5-7.7GHz）**：通过中间层寄生结构（尺寸4.5-5.3mm）与顶层结构形成二次谐振，实现双高频段控制
- **频段隔离机制**：采用0.8倍频比（如fl2c/ fl1c≈0.86，fh2c/fh1c≈0.88），确保各频段谐振点间距大于0.2λ，避免耦合干扰

#### 2. 自隐身特性实现
- **带内自隐身**：X极化通过PIN二极管状态切换（ON/OFF）实现180°相位差，Y极化采用桥接隔离结构（尺寸6.1-6.7mm可调），确保极化间隔离度＞-40dB
- **带外自隐身**：创新性采用棋盘式布局（Array B模式），通过带外寄生结构的相位差设计（±180°±37°），在4个带外频段（3.57-3.82GHz、4.07-4.3GHz、6.56-7GHz、7.3-7.87GHz）均实现＞-10dB的RCSR抑制
- **动态兼容机制**：在5.2GHz带内工作时，带外寄生结构的场强耦合度＜-40dB（实测值），确保各频段独立调控

#### 3. 可重构阵列特性
- **双极化独立控制**：X极化通过PIN二极管（SMP1340型号）状态切换实现相位调制，Y极化通过尺寸微调（误差±0.1mm）获得相位控制
- **二维波束扫描**：采用12×12阵列布局，通过相位编码实现±45°扫描范围（步进15°），实测效率达18%，峰值增益17.96dBi
- **宽频带兼容性**：集成优化后，带内中心频段5.2GHz±0.15GHz（3.6%带宽），带外实现70.7%综合带宽（3.6-7.47GHz）

### 三、关键技术创新点
1. **寄生结构耦合调控技术**：
- 通过尺寸参数（如p1x=6.65mm，p2y=19.8mm）与结构布局（交叉哑铃旋转45°）的协同设计，实现带外谐振模式的精准调控
- 顶底两层寄生结构形成天然滤波器，带外抑制带宽较传统设计提升40%（从文献[50]的141.8%到本研究的187.2%）

2. **双模态自隐身机制**：
- **结构模态**：带内主模态（5.2GHz）与带外寄生模态（3.6-4.3GHz、6.5-7.7GHz）形成多频段谐振
- **电场分布**：采用有限元仿真（HFSS）优化，确保各频段场强分布呈反对称叠加（图5电场分布）
- **材料兼容性**：PCB基板（Shengyi S7136H）与金属贴片实现阻抗匹配，插入损耗＜2dB

3. **动态调控系统集成**：
- 采用FPGA实时控制（12×12阵列），实现相位延迟补偿误差＜±5°
- 集成1个PIN二极管+1个LC谐振器（0.45nH电感+0.21pF电容），最小化射频组件数量
- 通过四层结构（顶/中/底/馈电层）实现电磁参数的分层调控

### 四、实验验证与性能对比
#### 1. 实验平台与测试方法
- **测试环境**：暗室微波暗室（频率范围3-8GHz），使用N5244A矢量网络分析仪
- **激励方式**：近场喇叭天线（FDR=0.75）激励，远场接收喇叭（带宽10%）
- **RCSR测试**：单站法，发射/接收喇叭间距远大于3λ

#### 2. 核心性能指标
| 指标 | 数值/范围 | 对比文献[50]提升 |
|---------------------|-------------------|------------------|
| 带内RCSR抑制（X极） | -6dB（5.05-5.35GHz） | 带宽提升70% |
| 带外RCSR抑制 | 4频段，总带宽70.7% | 宽带提升45% |
| 剖面高度 | 0.065λ（5.2GHz） | 降低87% |
| 阵列效率 | 18% | 相当文献[53]水平 |
| 极化隔离度 | ＞-40dB | 保持行业领先水平 |

#### 3. 关键测试结果
- **波束扫描性能**：E/H平面扫描范围±45°，步进15°，平均旁瓣电平＜-10dB（图7C/D）
- **RCSR抑制特性**：
- 带内（5.2GHz）：X极化-6dB带宽30%＞文献[48]的25%
- 带外低频段（3.57-3.82GHz）：抑制深度＞-10dB，带宽25%
- 带外高频段（7.3-7.87GHz）：抑制深度＞-8dB，带宽25%
- **材料兼容性**：PCB基板（εr=3.55）与金属贴片实现阻抗匹配，插入损耗＜2dB

### 五、技术经济性分析
1. **成本效益**：
- 集成度提升：采用单层寄生结构设计，相比文献[50]的4层结构减少RF组件67%
- 制造复杂度：仅涉及PCB微纳加工（精度±0.05mm）和PIN二极管焊接，量产成本降低40%
- 能源效率：FPGA控制功耗＜50mW/m2，支持动态休眠模式

2. **工程应用价值**：
- 适配5G/6G通信天线（中心频5.2GHz）
- 满足F-35等新一代隐身平台的空间限制（厚度＜1mm）
- 支持多频段雷达探测规避（覆盖3.6-7.47GHz）

### 六、未来研究方向
1. **宽带化改进**：通过引入渐变相位补偿结构（图S13），将带内抑制带宽扩展至5.0-5.4GHz（+20%）
2. **多模态集成**：探索将电磁带隙（EMBG）结构与现有设计结合，实现8-12GHz频段扩展
3. **智能调控算法**：开发基于深度学习的相位补偿算法，提升动态扫描精度（目标±5°）
4. **环境适应性**：研究极端温度（-40℃至85℃）下的性能稳定性，优化封装材料

### 七、总结
本研究突破传统可编程超表面在带外隐身与低剖面之间的矛盾，通过寄生结构耦合调控和双极化独立控制设计，实现了：
1. 0.065λ超低剖面（等效厚度3.5mm@5.2GHz）
2. 5频段协同抑制（总带宽70.7%）
3. ±45°二维波束扫描（效率18%）
4. 双极化独立调控（隔离度＞-40dB）

该技术为新一代隐身平台（如空天飞行器、舰船电子设备）提供了可重构的主动隐身解决方案，较传统方法（如吸波罩）在剖面高度上降低87%，在带外抑制带宽上提升45%，具有重要工程应用价值。后续研究将聚焦于多频段联合调控算法和大规模阵列集成技术，目标实现100MHz以上连续频段抑制。