[论文解读] Intelligent Radome Design Using Multilayer Metamaterial Structures to Realize Energy Isolation and Asymmetric Propagation of Electromagnetic Wave

Jing Yuan, Kong Xiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Advanced Antenna and Metasurface Technologies参考文献 27被引用 31

一句话总结

该论文提出一种基于多层超材料结构的智能透波罩，通过PIN二极管的主动控制实现非对称电磁波传输和高功率电磁波（HPEMW）屏蔽。通过集成宽带偏振转换器（PC）和有源频率选择吸波器（AFSR），该透波罩在二极管触发时可非对称传输低功率信号，同时吸收1.8 GHz以上的HPEMW，实现3.48–3.58 GHz频段内插入损耗小于1 dB，且在2.3–4.4 GHz频段内吸收率超过90%。

ABSTRACT

An intelligent radome utilizing composite metamaterial structures is presented and investigated in this article, which can realize energy isolation and asymmetric propagation of electromagnetic (EM) wave self-adaptively by controlling states of PIN diodes. The whole structure mainly consists of a broadband polarization-sensitive polarization converter (PC) and an active frequency selective rasorber (AFSR) switching between a transmission mode and absorption mode which is used as an energy-selective surface (ESS). Among them, the function of the PC is to make the EM waves transmit asymmetrically, and the purpose of AFSR is to make the high-power waves be reflected or absorbed, which depends on the polarization type of the wave. Thus, the radome can realize both asymmetric propagations of EM wave and electromagnetic shielding. The equivalent circuit models (ECM) and parametric studies are considered to explain the physical operating mechanism of PC and AFSR. The fabricated structure with 7*7 unit cells is experimentally demonstrated and the measured results agree with simulated results well. Considering the distinctive characteristic of self-actuation, the presented concept has the potential application in electromagnetic stealth and HPEMWs shielding to protect communication devices.

研究动机与目标

• 为解决在保护通信设备免受高功率电磁波（HPEMW）攻击的同时维持正常信号传输的挑战。
• 克服传统透波罩无法同时实现非对称波传播与主动HPEMW屏蔽的局限性。
• 设计一种自驱动的智能透波罩，可根据信号功率动态切换透明与吸波状态。
• 在单一多层超材料结构中集成偏振控制与能量选择性响应，以增强电磁功能。
• 通过等效电路模型（ECM）、全波仿真（CST）以及7×7单元原型的实验测量验证设计。

提出的方法

• 该透波罩集成了由三层功能层和两层空气层构成的宽带偏振转换器（PC），可依据入射方向实现对x和y极化波的非对称传输。
• 带有嵌入式PIN二极管的有源频率选择吸波器（AFSR）作为能量选择性表面（ESS），根据信号功率在传输模式（二极管关闭）与吸收模式（二极管开启）之间切换。
• PC利用正交金属条带与45°旋转的椭圆结构，形成法布里-珀罗腔体与共振，实现宽带偏振转换。
• AFSR采用槽阵列与集总元件（电阻、电感、电容）构成等效RLC电路模型（ECM），当二极管正向偏置时，可在1.8–4.4 GHz频段实现可调吸收。
• 采用并联偏置配置以模拟HPEMW激励并触发二极管，无需外部耦合。
• 通过全波仿真（CST）与电波暗室中的实验测量验证设计，比较仿真与实测的S参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 多层超材料透波罩能否同时实现非对称电磁波传播与主动HPEMW屏蔽？
• RQ2 如何在一个集成结构中实现偏振转换与基于功率的传输-吸收模式切换？
• RQ3 所提出的PC与AFSR中宽带非对称传输与可调吸收的物理工作机制是什么？
• RQ4 等效电路模型（ECM）在不同二极管状态下的预测准确性如何？
• RQ5 制造公差与元件误差对实测性能与仿真结果的影响程度如何？

主要发现

• 当PIN二极管关闭时，透波罩在100 MHz带宽（3.48–3.58 GHz）内实现插入损耗低于1 dB的非对称传输。
• 当PIN二极管开启时，该结构在2.3 GHz至4.4 GHz频段内吸收超过90%的入射能量，有效屏蔽HPEMW。
• 当二极管关闭时，中心频率（3.54 GHz）处实测插入损耗为2.6 dB，与仿真相比存在0.3 GHz的频移。
• 当二极管处于截止状态（OFF）时，AFSR在通带内的最小插入损耗为0.6 dB，证实了有效信号传输。
• 实测与仿真的S参数表现出良好一致性，验证了设计与基于ECM的分析。
• 原型展示了自驱动功能：低功率信号非对称通过，而高功率波被吸收，实现在单一器件中的双重功能。