超表面多普勒隐身技术：实现宽带雷达信号频率转换的新策略

本文创新性地提出了一种基于变容二极管加载超表面的宽带多普勒隐身（Doppler cloak）技术，通过时变反射系数的线性相位调制，成功实现了VHF-UHF波段调频连续波（FMCW）雷达信号的频率转换。该技术突破传统谐波信号处理的局限，首次实验验证了48MHz带宽范围内的多普勒频移补偿，兼具雷达散射截面（RCS）缩减功能，为动态目标雷达隐身提供了新范式。

　　

超表面多普勒隐身技术的突破性进展

2 Metasurface-Based Frequency Converter

2.1 Slow Modulation Framework

在慢调制框架下，时变反射系数Γ(t)与入射电场E_i(t)的乘积直接决定反射场E_r(t)。通过构建线性相位斜坡，可实现ω_m频率偏移，其核心在于实现反射系数相位在时间上的单调变化。理论分析表明，当相位变化范围达到2π时，可产生理想的频移效果；而实际系统中，相位变化幅度α（|α|≤1）将直接影响频率转换效率。

2.2 VHF-UHF Metasurface Design

研究团队创新采用同轴波导结构解决VHF-UHF波段测量难题，设计外径75mm、内径32.5mm的定制化同轴系统。超表面由中心开有5mm间隙的金属圆盘构成，八颗Skyworks SMV1255变容二极管呈45°对称分布。等效电路模型揭示：当超表面呈现纯容性（Im(Y_MS)=ωC_MS）时，相位变化最为理想。但实际变容二极管存在寄生参数，其SPICE模型包含偏压依赖的结电容C_d(V_r)、串联电阻R_s(V_r)等非线性元件，导致等效导纳Y_MS复杂化。

2.3 Reflection Coefficient Modulation

实验证实，当|α|>0.5时方可实现有效频率转换，而|α|>0.8被视为可接受阈值。周期性相位斜坡调制产生无限谐波分量，理想情况下（|α|=1）能量集中于ω_m频点；而非理想状态（|α|<1）会导致能量分散。该发现首次系统阐释了前人研究中未明确的转换效率限制因素，为器件优化提供量化标准。

3 FMCW Radar Signals Frequency Conversion

通过COMSOL仿真验证后，实测数据显示：在320-400MHz范围内存在三个特征区域——无效区（|α|≈0）、优质转换区（|α|≥0.8）和过渡区（0.5<|α|<0.8）。选择f₀=350MHz为中心频点，采用Δf=80MHz带宽的FMCW信号验证，测得频率转换带宽（FCBW）达48MHz，平均转换损耗（ACL）为5.2dB。功率谱密度分析显示，反射信号呈现f_m=100kHz间隔的谐波分布，符合理论预测。

4 Conclusion

这项研究首次实现宽带FMCW信号的多普勒隐身，突破传统谐波处理的局限。创新性的同轴波导设计解决低频测量难题，而变容二极管阵列的精确调制实现50MHz级宽带频率转换。该技术兼具RCS缩减功能，通过抑制多普勒信息使运动目标在雷达屏幕上"消失"。未来可拓展至GHz频段通信系统，为动态信号处理开辟新途径。研究团队特别指出，相位线性化过程中的非线性补偿策略将成为后续优化重点。