CN105789906A - 一种2d相位梯度的超表面复合结构 - Google Patents

一种2d相位梯度的超表面复合结构 Download PDF

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Abstract

该发明公开了一种2D相位梯度的超表面复合结构，属于微波技术电磁散射控制领域。该结构包括：金属底板、位于金属底板上的中间介质层、位于介质层上周期分布的金属贴片层；所属金属贴片层包括阵列分布的周期单元；所属周期单元为2×2的网格结构，其特征在于每个网格内阵列分布有金属贴片，每个网格内的金属贴片尺寸沿阵列的横向或纵向渐变，所属周期单元中相邻网格内的金属贴片尺寸渐变方向相反。本发明主瓣峰的偏移重置了镜向的散射场能量到其它方向，甚至能够将入射平面波直接转化为表面波在超结构面内传输，能够更加智能的控制电磁波方向，从而使得镜向散射及边缘散射得到较好控制，且施工工艺简单可靠，容易实现。

Description

一种2D相位梯度的超表面复合结构
技术领域
本发明属于微波技术电磁散射控制领域，涉及一种在特定频带内可智能控制电磁波传播方向的2D相位梯度超表面复合结构及其构建方法。
背景技术
隐身技术是提升武器装备突防能力和生存能力最关键的技术，随着雷达探测技术的不断发展，控制目标体雷达散射特征、推动新型隐身技术深层发展尤为重要。雷达散射截面(RCS)作为衡量目标体隐身性能好坏的重要物理量，决定了敌方的探测设备能够探测和跟踪我方目标的距离大小。换言之，即RCS越小，说明目标体的隐身性能越好，越难被敌方雷达接收机探测到；反之，RCS越大，则目标体隐身性能越差。常用雷达隐身技术包括整形技术、雷达吸波材料(RAM)、有源对消和无源对消。
随着隐身技术的快速发展，迫切需要发展能降低目标体RCS的材料和方法。吸波方法如SalisburyScreen,Dallenbachabsorber,CircuitAnalogabsorbers,Frequencyselectivesurfaces(FSS),Jaumannabsorbers,以及Gradedabsorbers等；近年来随着超材料或超表面技术的发展，出现了另一个RCS减缩的重要方法即重置散射场能量[1-2]，如M.Paquay和J.C.Iriarte在2007年设计的由PEC和AMC组合成的传统型棋盘格结构，其中涉及的散射场能量干涉相消原理就是一种重置或者分散散射场能量的有效手段。此外，超表面因其独特的亚波长厚度的金属阵列结构可以实现对反射波或者透射波的幅度和相位的调节，在电磁波传播控制、电磁波极化调制等方面具有重要的应用前景；其中的相位梯度超表面(PGMs)是一种由具有不同相位但有特定相位差分布规律的一系列不同尺寸或者不同形状的结构单元在面内方向形成的各向异性超表面，通过其深亚波长厚度的结构可以更加自由地控制反射波或者透射波束的传播方向，使其不再遵循传统的反射/透射定律(Snell’sLaw，Fresnelequations)。比如说：复旦大学的周磊教授及其课题小组设计的H形结构实现了能将入射电磁波转化为表面波的反射型相位梯度超表面；哈佛大学的于南方等人设计的V形结构成功构建了在光波段能实现异常折射的相位梯度超表面。
发明内容
本发明目的是提供一种新型2D相位梯度超表面复合结构，类似将传统的棋盘格结构中的AMC单元用相位梯度超表面结构单元来代替，实现散射场能量再分布，将电磁散射主瓣能量移出背散射方向，从而实现对目标体单站RCS的有效减缩。
本发明的技术方案是一种2D相位梯度的超表面复合结构，该结构包括：金属底板、位于金属底板上的中间介质层、位于介质层上周期分布的金属贴片层；所属金属贴片层包括阵列分布的周期单元；所属周期单元为2×2的网格结构，其特征在于每个网格内阵列分布有金属贴片，每个网格内的金属贴片尺寸沿阵列的横向或纵向渐变，所属周期单元中相邻网格内的金属贴片尺寸渐变方向相反。
进一步的，所述周期单元中相邻网格内的金属贴片尺寸递减方法为：
步骤1：表面金属贴片尺寸都相同的情况下，在规定的频段内获取带有不同尺寸金属贴片的超表面结构对电磁波反射的相位与频率关系曲线；
步骤2：根据实际情况选取特定的中心频率，根据步骤1获得结果，抽取该中心频率下相位与金属贴片尺寸关系曲线；
步骤3：根据实际情况选择相位范围和相位梯度，获得一系列带梯度的相位点；
步骤4：根据步骤2的结果每个相位点对应一个金属贴片尺寸，获取一系列渐变的金属贴片尺寸。
进一步的，所述金属贴片为方形金属贴片。
进一步的，所述超表面复合结构的介质层材料为介电常数为ε＝4.3、损耗正切角为tanδ＝0.025的FR4基板材料，厚度d＝1.6mm；表层金属贴片尺寸分别为：5.02mm、7.47mm、7.94mm、8.37mm、9.42mm的尺寸渐变体系或7mm、7.86mm、8.26mm、8.64mm、9.23mm的尺寸渐变体系。
本发明新型2D相位梯度超表面复合结构设计原理在于：采用对角结构的表面图案排布方式一致的2D类似棋盘格分布的渐变周期单元构成，其中1/4块周期单元结构采用尺寸渐变的阵列排布的金属方形贴片按照特定的相位梯度变化规律排列组合而成，此种结构利用不同尺寸的金属贴片具有不同的反射相位，使整个超表面构成了非均匀的线性反射相位超表面。根据不同的梯度渐变因子可选取合适的尺寸渐变体系，在平面波垂直入射到该超表面结构表面图案层时，由于图案尺寸不同导致反射电磁波相位梯度的存在，使得反射波偏离入射电磁波方向，主瓣峰的偏移重置了镜向的散射场能量到其它方向，甚至能够将入射平面波直接转化为表面波在超结构面内传输，能够更加智能的控制电磁波方向，从而使得镜向散射及边缘散射得到较好控制，且施工工艺简单可靠，容易实现。本发明实现VV极化波入射下的仿真结果：镜向RCS减缩约17.5dB，整个角域RCS减缩均值约15dB；HH极化波入射下仿真结果：镜向RCS减约12.5dB，整个角域RCS减缩均值约10dB。
附图说明
图1本发明中相位梯度超表面由尺寸渐变体系1组成4个“5×5”阵列单元呈反向排布时构成的110mm×110mm×1.6mm的周期单元结构表面简化结构示意图；
图2本发明中相位梯度超表面结构的元胞结构示意图；
图3本发明中尺寸渐变体系1对应的4个“5×5”阵列单元呈反向排布时的相位梯度超表面结构，在电磁波入射时的RCS特性仿真结果；
图4本发明中尺寸渐变体系1对应的4个“5×5”阵列单元呈反向排布时的相位梯度超表面结构，在电磁波入射时的RCS特性实验结果；
图5本发明中相位梯度超表面由尺寸渐变体系2组成4个“5×5”阵列单元呈反向排布时构成的110mm×110mm×1.6mm的周期单元结构表面简化结构示意图；
图6本发明中尺寸渐变体系2对应的4个“5×5”阵列单元呈反向排布时的相位梯度超表面结构，在电磁波入射时的RCS特性仿真结果；
附图标记：P为元胞周期11mm，d为介质层厚度1.6mm，a为金属方块图案边长。
具体实施方式
采用前述新型2D相位梯度超表面复合结构进行具体实施，具体如下：
本发明新型2D相位梯度超表面复合结构，其仿真设计的构建方法分为以下四步：一，在CST中建模，仿真优化得在中心频率7GHz、相位范围为±150°的超表面结构单元的尺寸体系(相位&尺寸)；二，选定相位差为对应的尺寸体系1和对应的尺寸体系2(分别对应的具体尺寸值如前所述)，元胞周期为P＝11mm，得到相位渐变因子在FEKO中按照渐变因子g的线性渐变得到的尺寸体系，建模出矩形组合式、类似棋盘格图案排布的2D相位梯度超表面复合结构；三：在FEKO中进行仿真计算由四个周期结构组合的220mm×220mm×1.6mm结构的散射特征，并进行相应的数据处理。
实施方式1：
一种由尺寸渐变体系1对应的4个“5×5”阵列单元构建的呈反向排布的110mm×110mm×1.6mm的周期结构单元的新型2D相位梯度超表面复合结构，其图案单元结构如图1所示，其中元胞结构如图2所示，仿真结果如图3所示，实验结果如图4所示，具体尺寸参数为(单位mm)：
P＝11mm，d＝1.6mm，ε＝4.3、tanδ＝0.025，金属图案层为尺寸渐变体系1：a＝5.02mm、7.47mm、7.94mm、8.37mm、9.42mm；
通过上述方式设计得到的新型2D相位梯度超表面复合结构，在VV极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约17.5dB，整个角域RCS减缩均值为15dB；在HH极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约为12.5dB，且行波抑制约为13dB，整个角域RCS减缩均值约为10dB；宽角域范围内有大于10dB的RCS均值减缩，带宽1GHz，两种极化有效；实验测试结果为：VV极化下RCS减缩均值为10dB减缩；HH极化下RCS减缩均值为7.5dB，与仿真结果基本吻合。
实施方式2：
一种由尺寸渐变体系2对应的4个“5×5”阵列单元构建的呈反向排布的110mm×110mm×1.6mm的周期结构单元的相位梯度超表面结构，其图案单元结构如图5所示，其中元胞结构如图2所示，仿真结果如图6所示，具体尺寸参数为(单位mm)：
P＝11mm，d＝1.6mm，ε＝4.3、tanδ＝0.025，金属图案层为尺寸渐变体系2：a＝7mm、7.86mm、8.26mm、8.64mm、9.23mm；
通过上述方式设计得到的新型2D相位梯度超表面复合结构，在VV极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约17.7dB，整个角域RCS减缩均值为7dB；在HH极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约为16.4dB，且行波抑制约为12dB，整个角域RCS减缩均值约为9.7dB；宽角域范围内有大于7dB的RCS均值减缩，带宽1GHz，两种极化有效。
实施方式3：
一种由尺寸渐变体系2对应的4个“5×5”阵列单元构建的呈顺时针排布的110mm×110mm×1.6mm的周期结构单元的相位梯度超表面结构，其中元胞结构如图2所示，具体尺寸参数为(单位mm)：
P＝11mm，d＝1.6mm，ε＝4.3、tanδ＝0.025，金属图案层为尺寸渐变体系2：a＝7mm、7.86mm、8.26mm、8.64mm、9.23mm；
通过上述方式设计得到的新型2D相位梯度超表面复合结构，在VV极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约17.6dB，整个角域RCS减缩均值为8dB；在HH极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约为18.6dB，且行波抑制约为12dB，整个角域RCS减缩均值约为8.5dB；宽角域范围内有大于8dB的RCS均值减缩，带宽1GHz，两种极化有效；
实施方式4：
一种由尺寸渐变体系2对应的4个“5×5”阵列单元构建的呈正交排布的110mm×110mm×1.6mm的周期结构单元的相位梯度超表面结构，其中元胞结构如图2所示，具体尺寸参数为(单位mm)：
P＝11mm，d＝1.6mm，ε＝4.3、tanδ＝0.025，金属图案层为尺寸渐变体系2：a＝7mm、7.86mm、8.26mm、8.64mm、9.23mm；
通过上述方式设计得到的新型2D相位梯度超表面复合结构，在VV极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约17.7dB，整个角域RCS减缩均值为9dB；在HH极化波入射的情况下实现仿真结果：镜向RCS减缩约为18.5dB，且行波抑制约为14dB，整个角域RCS减缩均值约为12.5dB；宽角域范围内有大于9dB的RCS均值减缩，带宽1GHz，两种极化有效。

Claims (4)

1.一种2D相位梯度的超表面复合结构，该结构包括：金属底板、位于金属底板上的中间介质层、位于介质层上周期分布的金属贴片层；所属金属贴片层包括阵列分布的周期单元；所属周期单元为2×2的网格结构，其特征在于每个网格内阵列分布有金属贴片，每个网格内的金属贴片尺寸沿阵列的横向或纵向渐变，所属周期单元中相邻网格内的金属贴片尺寸渐变方向相反。
2.如权利要求1所述的一种2D相位梯度的超表面复合结构，其特征在于所述周期单元中相邻网格内的金属贴片尺寸递减方法为：
步骤1：表面金属贴片尺寸都相同的情况下，在规定的频段内获取带有不同尺寸金属贴片的超表面结构对电磁波反射的相位与频率关系曲线；
步骤2：根据实际情况选取特定的中心频率，根据步骤1获得结果，抽取该中心频率下相位与金属贴片尺寸关系曲线；
步骤3：根据实际情况选择相位范围和相位梯度，获得一系列带梯度的相位点；
步骤4：根据步骤2的结果每个相位点对应一个金属贴片尺寸，获取一系列渐变的金属贴片尺寸。
3.如权利要求1所述的一种2D相位梯度的超表面复合结构，其特征在于所述金属贴片为方形金属贴片。
4.如权利要求2所述的一种2D相位梯度的超表面复合结构，其特征在于所述超表面复合结构的介质层材料为介电常数为ε＝4.3、损耗正切角为tanδ＝0.025的FR4基板材料，厚度d＝1.6mm；表层金属贴片尺寸分别为：5.02mm、7.47mm、7.94mm、8.37mm、9.42mm的尺寸渐变体系或7mm、7.86mm、8.26mm、8.64mm、9.23mm的尺寸渐变体系。
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