用于消除对称双叶Vivaldi天线宽带雷达散射截面（RCS）的近零折射率非均匀超表面

为什么躲避雷达仍然重要

从战斗机到未来的5G和6G通信设备，许多器件必须用无线电波通信，同时又不能成为雷达的明显目标。传统的隐身手段通常伴随代价：增加沉重、笨重的材料或损害天线性能。本文提出了一种由工程化单元构成的紧凑“外皮”，称为超表面，可安装在一种常用天线下方，从而在不牺牲天线性能的前提下显著降低雷达对其的可见性。

更聪明的电磁表面

这项工作集中在减小雷达散射截面（RCS）——即物体在雷达下的显著程度。与其像海绵一样简单地吸收能量，所提出的表面通过重塑电磁波的反射方式来起作用。它由印制在平面电路板上的微小金属重复图案构成——其尺寸远小于入射波长。这些图案被精心设计，使得对一种极化（即电场的特定方向）的入射波产生的反射会将极化旋转90度。与此同时，保持原始极化的反射被强烈抑制。通过在宽频带上调控这种行为，表面能够在广泛频率范围内保持雷达回波微弱。

棋盘式布局用于消除回波

关键在于这些微小图案的排列方式。四个相同单元组成一个小方形“超单元格”。毗邻的另一个超单元格则旋转90度，并以棋盘格方式铺设这两种类型。当天线波打到这种布局上时，相邻补丁返回的交叉极化反射几乎相互相差180度相位。意味着它们对后向回波的贡献大部分相互抵消，同时两种补丁也都减少了同极化的普通反射。结果是与相同尺寸的金属平板相比，RCS显著下降，而且这一效应不仅在正对入射时成立，也在波从倾斜角度到达时保持有效。

与高速天线的协作

为证明隐身与性能可以并存，作者将该超表面与一只对称双叶（antipodal）Vivaldi天线配合——这是一种开口喇叭式的端射设计，常用于毫米波频段，如先进的无线链路和雷达。该天线本身被设计以在约25–30 GHz附近提供宽带和良好增益。超表面安装在天线下方几毫米处，并为馈电连接器留有小开口。测量和详细仿真表明，天线的输入匹配和辐射图保持不变：峰值增益约为9 dBi，主波束仍指向相同方向，尽管底下的表面正在主动重塑散射波。

宽带隐身且无重大权衡

性能测试显示，组合系统在单基地（monostatic）测量中可实现最高约30 dB的RCS降低——相当于将雷达表观尺寸缩小约1000倍——覆盖从14到36 GHz的非常宽的频率范围。该设计在发射器和接收器角度分离（双基地，bistatic）时也维持良好表现，在某一关键频率下在高达±85度的角度窗内仍能显著降低RCS。重要的是，这些增益是通过一种在面积上紧凑、厚度上较薄的超表面实现的，与其他已报道的方法相比体积更小，其内部行为也能被简化电路模型和模态分析较好地描述。

对未来隐身链路的意义

在实际层面上，这项研究表明，一层薄而有图案的涂层可以使高速天线在保持其通信或探测能力的大部分不变的同时，大幅降低其对雷达的可见性。通过旋转和调相散射波而非单纯吸收，超表面在相对较小的占地上提供了宽带、角度稳定的隐身效果。这类设计可助力未来的飞机、车辆乃至基础设施隐藏其最醒目的无线设备，使系统既高互联又更难被发现。

引用: Das, P., Kundu, S. & Kumar, R. A near zero refractive indexed non-uniform metasurface for broadband RCS reduction of an antipodal Vivaldi antenna. Sci Rep 16, 8563 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37848-6

关键词: 隐身天线, 超表面, 雷达散射截面, Vivaldi天线, 毫米波