CN106129632B

CN106129632B - 带宽可精确设计的随机表面

Info

Publication number: CN106129632B
Application number: CN201610396006.4A
Authority: CN
Inventors: 程强; 赵捷; 王天奇; 陈浩; 崔铁军
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: CN106129632A

Abstract

本发明公开了一种带宽可精确设计的随机表面，其由三种基本子阵排列而成，子阵大小相同，数目基本一样，不同子阵由相同的基本单元周期排列构成，故总共三种基本单元。基本单元由介质基板，分别覆盖在介质基板上表面的金属贴片和下表面的金属背板组成。基本单元具有低损耗特性，其相位关系满足两两之间相位差不超过180°。在这种条件下可实现其反射率不超过同尺寸金属平板的1/9。本发明可在不需要大规模仿真的前提下可准确估算出随机表面的工作带宽，具有重要的工程应用价值。通过优化子阵排列，本发明可应用于大角度入射，且所有后向散射方向均无明显散射，在隐身领域有潜在应用前景。

Description

带宽可精确设计的随机表面

技术领域

本发明涉及一种带宽可以精确控制的随机表面，可应用于隐身和成像，属于雷达探测和新型人工电磁材料领域。

背景技术

电磁波在入射到具有相位梯度分布的电磁表面时，不再遵守镜面反射定理，将发生异常反射，由此可调控电磁波的散射方向图。通过设计具有低损耗、不同反射相位的单元，将这些单元随机排列组成随机表面。将该表面覆盖在金属平板上，当电磁波入射时，由于各个单元的反射相位不同，反射波将发生干涉，能量不再集中在镜面方向，而呈现随机漫反射的现象。这种方法常被用于缩减目标的雷达散射截面积(RCS)。随机表面通常具有一定的带宽，这是由其基本单元具有较低的Q值决定的。但传统设计都是基于点频设计，需要通过大规模电磁仿真方能获悉随机表面的带宽，这需要消耗巨大的计算机资源和计算时间。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种带宽可精确设计的随机表面，在不需要大规模仿真的前提下，可精确设计出具有指定带宽的随机表面，在隐身、成像领域具有潜在应用价值。

本发明采用的技术方案为：一种带宽可精确设计的随机表面，其由三种基本子阵排列而成，三种基本子阵尺寸相同，数目基本相同；不同基本子阵由相同的基本单元周期排列构成，即总共三种基本单元；

所述基本单元由介质基板,覆盖在介质基板上表面的金属贴片和下表面的金属背板组成。

所采用的金属贴片具有旋转对称性，故对入射波极化不明感。在工作频带内，三种基本单元具有较大的相位差，可对入射波产生强烈干涉作用，可显著降低后向反射能量。子阵可减弱由于随机排列造成的边界不一致对反射相位的影响。子阵的排布方式通过优化算法优化得出，该阵列可实现反射波在所有方向均无明显散射。

作为优选，所述基本单元在设定频段内具有低损耗谐振特性，可通过改变贴片结构尺寸改变反射相位。

作为优选，所述基本单元组成同尺寸子阵，将子阵优化排列成电磁表面，各个子阵的数目基本一致。

作为优选，所述随机表面的带宽通过单元设计精确控制，在设计频带内，仅需满足两两单元相位差不超过180°，即可保证该随机表面在该频带内具有较低后向反射。

本发明随机表面采用三种基本单元，通过优化其尺寸使其满足特定的反射幅度和相位条件，在入射波激励下，在指定频带内三种单元的反射波发生强烈干涉作用，实现后向RCS缩减为不超过原先的1/9。本发明所提出带宽可精确控制的随机表面具有原理简单、电磁仿真计算量小、对入射波极化不敏感、适用于大角度入射等特点，具有很高的工程应用价值。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：

1.本发明原理简单，只采用三种基本单元。可减小单元设计工作量。

2.与传统采用多谐振结构设计相比，本发明只采用单谐振单元，故单元结构简单，无复杂形状，可降低在太赫兹、红外波段的加工难度和加工精度。

3.本发明将相同基本单元组成基本子阵，可降低由于边界不同对单元反射系数所产生的干扰。

4.与传统设计相比，本发明仅需通过优化单元设计，即可实现具有指定工作频带需求

的随机表面，故可以极大缩短仿真时间和仿真流程。

附图说明

图1是基本单元示意图(总共三种单元)：(a)单元1正视图；(b)单元2正视图；(c)单元3正视图；(d)基本单元仰视图。

图2是三种单元的反射系数仿真结果：(a)反射幅度；(b)反射相位。

图3(a)-(c)为三种不同的反射相位关系：(a)其中两个单元相位差180°；(b)单元彼此相位差为120°；(c)单元彼此相位差不超过180°，可以理解为当单元1和单元3的相位差选定不超过为180°后，单元2的相位只要落在阴影位置，即可保证单元2与另外两个单元相位差均不超过180°。(d)为本发明的基本单元的反射相位关系。

图4(a)为带宽可精确设计的随机表面正视图；(b)为(a)中局部放大图。

图5带宽可精确设计的随机表面归一化后向反射率，其中实线为计算结果，米子形线为测试结果

图6在频率为1 THz入射波斜入射情况下的带宽可精确设计的随机表面散射图：垂直极化45度斜入射到(a)随机表面和(b)同尺寸金属平板的散射图；水平极化45度斜入射到(c)随机表面和(d)同尺寸金属平板的散射图；

附图标记：

1-金属贴片；2-介质基板；3-金属背板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明所提出的带宽可精确设计的随机表面由三种同尺寸基本子阵构成，不同子阵由不同的基本单元周期排列组成，类似平面反射阵结构。

本发明共采用三种基本单元，单元结构如图1所示，由介质基板2、介质基板上表面的金属贴片1和下面表的金属背板3构成。金属背板3可以防止电磁波透射。图1(a)为基本单元1正视图，为方环形单元；图1(b)为基本单元2正视图，为方环形单元；图1(c)为基本单元3正视图，为方贴片单元；图1(d)为基本单元仰视图。基本单元1和基本单元2的周期相同，基本单元3的周期为前两个单元的2/3，此处周期不同仅为单元优化设计所得，并无硬性规定。

图2为三种基本单元的反射系数仿真结果。通过优化基本单元的周期、贴片的尺寸，使得基本单元在指定频带内，幅度上满足低损耗特性，相位符合一定的关系(该关系下文详细描述)。图2(a)为反射幅度仿真结果，三个基本单元的反射幅度在0.4THz-1.6THz频段内均在0.87以上。图2(b)为反射相位结果，三个基本单元均发生谐振，相位随频率有明显变化。

在本发明中，三个基本单元在整个电磁表面上所占据的面积基本相同(均约为1/3)。为实现电磁表面的低反射率，三个基本单元反射系数需满足一定的关系，在给出这个关系前，先讨论两个特例：

特例1，如图3(a)所示，三个基本单元反射幅度均为1，其中两个基本单元(如基本单元1和基本单元3)相位相反。则这两个基本单元在镜面反射方向上的能量完全干涉相消，只剩下一个基本单元(基本单元2)的反射能量。能量与反射幅度的平方是正比关系，即在镜面反射方向的能量衰减为原先的1/9。数学描述为：

其中k_i为三种基本单元的在整个电磁表面所占的面积比例；为基本单元的反射系数。

特例2，如图3(b)所示，三个基本单元反射幅度均为1，基本单元彼此间相位差均为120°。则这三个基本单元在镜面反射方向上的能量完全干涉相消，即在镜面反射方向的能量衰减0。数学描述为：

由于特例1和特例2是两个极端情况，实际操作中，仅可能在单个或若干个离散频点上实现，故不适合宽带设计。下面本发明提出一个介于特例1和特例3之间的一个通用的反射系数关系。如图3(c)所示，首先选定其中两个基本单元(如基本单元1和基本单元3)，使其相位差小于180°，在设计剩下的基本单元(基本单元2)时，只要满足其相位落在图3(c)深色阴影部分即可。数学描述为

通过数学上的矢量叠加运算，可以求出，在满足公式3的条件时，镜面方向的反射能量衰减为原先的0到1/9之间。上述两个特例包含在公式3中，是公式3的最差和最好的两个情况。因此，只要在设计时使得三个基本单元的反射系数满足公式3的要求，理论上可实现电磁表面的反射率将至少压缩8/9。

图3(d)是本发明所采用的三个基本单元的反射相位关系，在频段0.64THz-1.33THz内满足公式3的相位条件，在该频段内，三个基本单元的反射幅度(图2所示)均大于0.9。可以认为本发明所采用的基本单元基本满足公式(3)的单元反射系数要求。

图4为本发明所设计的随机表面模型的正视图。整个模型由三个不同基本子阵排列组成，组成整个模型的三个基本子阵的数目基本相同，子阵大小也相同。排列方式已通过优化算法优化，优化方式为：通过单元子阵方向图和整个随机表面阵列方向图相乘，得出远场方向图。采用粒子群优化算法，优化目标为散射空间中最大散射峰的能量最小。从右侧的局部放大图可以看出更多的子阵细节，不同的基本子阵由相同基本单元规则排列构成。由于基本单元3的尺寸为基本单元1(或2)的2/3，所以采用4×4个基本单元1(或2)组成基本子阵1(或2)，而采用6×6个基本单元3组成基本子阵3，以此保证每个子阵尺寸相同。采用组成子阵的方式可以降低由于单元边界不同对其反射系数所造成的干扰。另外，这种干扰无法消除，只能降低。

图5所示为本发明所设计的模型的归一化反射系数，其中实线为计算结果(基于三个单元反射系数的矢量叠加运算)。米字形线为测试结果。本发明所设计的样品采用的介质层为30μm厚的聚酰亚胺，金属层为180nm的金，采用太赫兹时域光谱仪进行测试。从结果对比可以看出，两条曲线比较吻合。误差有多重原因，包括加工精度误差、样品材质参数误差等。另外，从图中可以看出，低频误差比高频大，这主要是由于当频率较低时，波长较长，不同单元之间的耦合比较强。虽然我们已经采用组阵的方式来降低这种耦合，但正如前面所说，这种耦合无法消除。随着频率的升高，波长变短，耦合变弱，结果更加吻合。

为验证本发明的大角度适应性和全方位低散射特性，图6给出了在垂直极化和水平极化波45度斜入射到该带宽可精确设计的随机表面和同尺寸的理想金属平板上的散射场的仿真结果，入射波频率为1THz，散射结果已做归一化处理。图(a)为垂直极化波45°斜入射到本随机表面的散射图；(b)为垂直极化波45°斜入射到理想金属平板的散射图；(c)为水平极化波45°斜入射到本随机表面的散射图；(d)为水平极化波45°斜入射到理想金属平板的散射图。从图(b)和(d)可以看出，在镜面反射方向(45度)金属平板有明显散射峰，而其绝大多数方向的反射能量很低，符合镜面反射的现象。从图(a)和(c)可以看出，本发明所设计的随机表面在整个空间能量分布相对均匀一点，类似漫反射现象。其中垂直极化的最大的归一化散射能量压缩至-13.45dB，水平极化的最大归一化散射能量压缩至-15.7dB。此特点使本发明在对抗雷达探测系统，尤其是双站雷达探测系统具有巨大的发展前景。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims

1.一种带宽可精确设计的随机表面，其特征在于：其由三种基本子阵排列而成，三种基本子阵尺寸相同，数目相同；不同基本子阵由相同的基本单元周期排列构成，即总共三种基本单元；

所述基本单元由介质基板,覆盖在介质基板上表面的金属贴片和下表面的金属背板组成；

所述基本单元在设定频段内具有低损耗谐振特性，可通过改变贴片结构尺寸改变反射相位；

所述基本单元组成同尺寸子阵，将子阵优化排列成电磁表面，各个子阵的数目一致；

首先选定其中两个基本单元：基本单元1和基本单元3，使其相位差小于180°，剩下的基本单元2，满足以下公式：

其中k_i为基本单元i在整个电磁表面所占的面积比例，为基本单元的反射幅度，为基本单元的反射相位。