基于条件生成对抗网络的透明透射超表面实现用户自定义宽带电磁幻象生成

本文提出一种光学透明透射超表面（TTM），通过条件生成对抗网络（cGAN）实现用户自定义的宽带电磁幻象。该设计在12-18 GHz频段内精准复现目标物体的前向散射雷达截面（RCS）模式，相关度超过90%，同时保持71.5%的可见光透过率。研究突破了传统反射式超表面存在的馈源遮挡、视觉遮蔽和计算成本高等局限，为飞行器座舱盖、舰艇雷达罩等需兼顾光学透明与射频隐身的应用场景提供了创新解决方案。

　　

1 引言

电磁幻象技术通过精确调控物体的散射特性，为先进 camouflage 提供了颠覆性手段。超材料与超表面的出现彻底改变了这一领域，但传统电磁幻象装置通常采用反射阵列重构电磁场分布，存在馈源遮挡、视觉遮蔽和计算成本高昂等局限，在宽带应用中尤为突出。透射式透明超表面（TTM）成为不可或缺的解决方案，既能保持光学透明，又能在透射通道实现精确电磁操控，并通过结构设计具备宽带扩展潜力。

与此同时，幻象器件的设计面临巨大计算挑战。传统基于全波仿真和进化算法的方法，随着超原子数量和频道的增加，计算成本急剧上升。深度学习通过数据驱动实现了从期望响应到超表面布局的映射，降低了这一门槛，但现有方法大多依赖大量标注数据，通常针对单目标或窄带场景，难以应对多模态、多目标和宽带需求的复杂性。

为同步解决透明性、带宽和智能设计问题，本研究提出结合条件生成对抗网络（cGAN）驱动逆向设计策略的新型透明透射超表面（TTM）架构。TTM由透明介质基底上精心设计的堆叠金属网格构成，在12-18 GHz宽带范围内准确复现用户定义的远场雷达截面（RCS）模式，同时实现71.5%的高光学透射率。

2 结果与讨论

雷达散射特性是雷达成像和目标识别的主要观测指标，其精确复现为评估电磁幻象性能提供了严格标准。传统幻象平台通常调谐在单一工作频率，当 interrogate 频段变化时其有效性急剧下降，严重限制了实际应用。本文提出的深度学习辅助TTM克服了这一限制，实现了高效的宽带电磁欺骗。

2.1 通过条件GAN实现用户自定义

为实现宽频带范围内的快速、用户自定义电磁幻象合成，我们开发了基于cGAN的逆向设计方法。cGAN框架包括生成器网络和判别器网络，生成器接收代表期望散射模式的条件向量与随机噪声，输出建议的超表面布局。每个候选超表面排列随后由判别器网络评估，确保生成模式准确满足指定散射标准，保持物理可信度和设计精度。

为进一步优化cGAN生成的超表面布局，我们将物理信息远场代理模型集成到对抗训练循环中。该代理计算模块快速预测候选配置的电磁散射响应，实现预测与目标散射结果之间差异的定量评估。这些计算出的差异迭代指导生成器的优化过程，增强其产生不仅欺骗判别器而且紧密接近期望电磁规范的配置能力。

2.2 cGAN辅助TTM的设计过程

实现宽带幻象性能要求每个超原子在Ku波段维持高幅度传输和近乎线性的相位响应。为满足这一要求，设计了三层谐振拓扑结构。四个图案化铜网格与三个2 mm厚介质 spacer 交替（ε_r≈3，tanδ≈0.0017），产生15-29%的金属填充因子，在可见光区域实现71.5%的平均光学透透射率。

虽然超原子本质上支持连续相位调制，但在超表面实现中采用二进制（1位）相位调制方案，以加速逆向设计和制造，提高制造变化的容差，并增强cGAN训练稳定性，同时仍保持高保真度前向RCS幻象。二进制相位基使用L_b=0和L_b=1.60 mm实现，对应约π的相位差。

为评估泛化性，我们选择了两个具有不同RCS特征的典型目标——坦克（幻象I）和紧凑型乘用车（幻象II），两者使用相同的训练模型生成，从而证明其跨多个目标的泛化能力。二维前向半球散射模式使用标准方向余弦投影（u=sinθcosφ，v=sinθsinφ）呈现。φ=0°的一维切面显示，TTM的主瓣、旁瓣和零值与相应目标紧密重合，在12-18 GHz频段内实现约98%（幻象I）和约97%（幻象II）的余弦相似度。

2.3 实验配置与结果

一对TTM——一个用于坦克幻象（TTM I），一个用于汽车幻象（TTM II）——制作成24×24阵列在2 mm厚聚碳酸酯片上。通过光刻技术图案化薄（65 μm）纯镍网格，实现15%-29%的金属填充因子和71.5%的平均可见光透射率。测量在完全衬里的微波暗室中进行。

TTM I和实际坦克的二维RCS图显示，在整个频段内，超表面复现了坦克前向半球（-90°≤φ≤+90°）的主导瓣和零值。余弦相似度分析显示：12 GHz为98.4%，14 GHz为95.6%，16 GHz为93.1%，18 GHz为95.8%。主瓣位置匹配在±1°以内，证实了工作的高保真度电磁 camouflage。

TTM II的类似测量显示余弦相似度：12 GHz为95.7%，14 GHz为93.0%，16 GHz为92.9%，18 GHz为90.9%。这种被动设计通过多谐振耦合和相位梯度工程实现宽带电磁幻象，无需有源偏置网络或传统微波吸收器。

3 结论

我们提出了一种新型光学透明透射超表面（TTM），其几何结构通过cGAN而非传统参数扫描获得。制作的TTM在Ku波段内忠实复现坦克和紧凑汽车的前向散射瓣，同时保持71.5%的平均可见透射率。物理引导的cGAN将用户定义的RCS profile 直接转换为可制造布局，将设计时间减少一个数量级以上。多层谐振超原子在12至18 GHz提供近乎线性的相位响应，从而实现超过90%的模式相似度，无需有源偏置网络。金属图案仅覆盖聚碳酸酯基底的15-29%，保持光学清晰度，便于大面积共形部署。

4 实验部分

数据集生成与网络架构

两种离散超原子状态（约180°相位偏移）的传输幅度和相位在CST Microwave Studio中通过周期性边界条件提取，频率范围11.5至19 GHz。MATLAB例程应用阵列叠加，包括模拟单元响应，预测24×24布局在离散频率和角度上的RCS。

远场测量

实验在完全衬里的暗室中进行。TTM或金属参考目标安装在电动转台上，发射喇叭 rigidly 固定于样品并同步旋转，而接收喇叭保持静止。通过这种方式，入射波相对于超表面保持法向入射，测量有效捕获全角度双站散射特性而非来自变化入射的杂散效应。

样品制作与透明度评估

超表面通过薄膜镍光刻技术在2 mm厚聚碳酸酯基板上制作；选择镍因其高电导率和耐腐蚀性。用商用透光率计测量的可见波段透射平均为71.5%。