CN106848595A - 一种超薄超宽带随机编码rcs缩减超表面散射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，由反射幅度接近相同且相位差接近π的两种超表面单元组成两种单元分别对应编码位的“0”和“1”，结合遗传算法，得到“0”和“1”单元的最优化随机排列方式，实现高效率的降低雷达散射截面积的特性。本发明的单元具有周期结构性质、尺寸紧凑、宽频带、高效率、结构简单，厚度较薄，易于传统器件结合，应用广泛等一系列优点。

Description

一种超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种超薄超宽带随机编码RCS(雷达散射截面，Radar Cross Section)缩减超表面散射器。

背景技术

关于人工电磁材料最早的研究开始于20世纪60年代，苏联学者Veselago通过对相关的数学公式分析得出了一种介电常数及磁导率同时为负的设想媒质，并从数学的角度分析了这种媒质所具有的自然界中的材料所不具备的奇异功能和特性。这种材料具有负折射率、负波矢以及逆多普勒效应等特殊特性，后该种材料被称为左手材料(Left-HandedMaterials)或称为负折射材料(Negtive-Index Materials)，但自然界中这种材料并不存在。在1996年，英国帝国理工大学的Pendry教授提出了通过周期排列金属短杆线来构造负介电常数的材料，于1999年提出了利用开口谐振环实现负磁导率材料的方法。2001年，美国研究者D.R.Smith根据Pendry教授提出的理论方法，利用金属线和开口谐振环组合的方式，首次制备出了具有负折射率的材料，并从实验的角度证明了负折射率现象的存在。新型电磁超表面属于人工电磁材料的一个特殊形式。该材料是由人工电磁材料结构单元通过周期排布来构造的超薄二维阵列面，具有其厚度远小于工作波长、损耗低等优点，且更容易与传统器件相集成。

发明内容

技术问题：为了有效的克服在设计超表面的过程中，其缩减带宽窄及双站RCS缩减量小的难题，本发明的目的是提供一种超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其中结合遗传算法来优化该超表面单元的优化排列位置，令其可在超宽的工作频带内，有效的降低单站及多站RCS。

本发明具体采用如下技术方案：

一种超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于所述超表面散射器由反射幅度相同，反射相位相差π的两种超表面单元按照遗传算法得到的优化规律排列组成，实现均匀的散射效果。

优选地，

所述两种超表面单元，其中一种超表面单元由另一种超表面单元轴向旋转90°形成。

两种超表面单元分别用编码位“0”和“1”来表征，利用遗传算法来优化“0”和“1”单元的排列方式。

与现有技术相比，本发明优势在于：

1.本发明利用一种超表面单元结构，通过简单的轴向旋转90°的方式获得另一种超表面单元结构，得到两种反射幅度接近相同且反射相位相差π的超表面单元结构，无须再设计其它结构。

2.本发明从编码设计的角度入手，利用优化算法——遗传算法来设计最优化的组合排列方式，并可以依据所实现的不同功能进行优化。

3.本发明具有超宽带特性。本发明中使用的超表面单元结构保证组成的超表面在宽频带内均能实现设计功能。

4.本发明可以根据应用频段来调节单元结构尺寸，进而实现微波段、太赫兹波段乃至光波段的线转换，进一步丰富线极化转换器的类型和方式，实现人工电磁超表面在微波器件中更为广泛的应用。

5.本发明中所采用的材料加工方便且易于实现。本发明的单元具有周期结构性质、尺寸紧凑、宽频带、高效率、结构简单，厚度较薄，易与传统器件结合，应用广泛。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明主要提出一种超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，在实现超宽带下的雷达散射界面缩减方面解决了关键性的难题，从而拓展了超薄超表面器件的应用范围，为其开拓了一种新的应用前景。

2.本发明利用优化算法来设计单元的排列组合方式，这种组合方式基于优化散射方向图的设计思想，提出了利用遗传算法来优化实现。这种超薄的平面式结构能实现对双极化线极化电磁波RCS缩减的特性以及其在微波器件和集成电路结构的设计中具有更大的灵活性。

3.创新性强，技术前瞻性好：该超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，在微波频段实现了多站RCS缩减的特性，创新性强，国内外未见同类结构；其可以很好的与传统微波器件配合使用，并可应用于太赫兹波段，拓展了平面式RCS缩减散射器件的应用范围，具有很好的技术前瞻性。

4.效率高、频带宽；本发明最终可以实现线极化电磁波RCS缩减特性。在17.1～41.2GHz范围内，RCS缩减均在10dB的以上。在23.1～27.1GHz的范围内RCS缩减可达15dB。在24.6GHz的频率下，RCS缩减达到了25dB。

附图说明：

图1是实施例一的“0”单元结构立体图；

图2是实施例一的“1”单元结构立体图；

图3是实施例一的两个单元的反射幅度曲线图；

图4是实施例一的两个单元的反射相位曲线图；

图5是理论计算出的不同排列超表面散射方向图：其中，

(a)对应编码组合为0000…/0000…或1111…/1111…的散射方向图；

(b)对应编码组合为0101…/0101…的散射方向图；

(c)对应编码组合为0101…/1010…的散射方向图；

(d)对应编码组合为遗传算法得到的优化排列的散射方向图。

图6是实施例一通过遗传算法优化后的超表面大单元排列示意图；

图7是实施例一在不同频率下的RCS三维散射方向图，其中：

(a)15GHz；

(b)24.6GHz；

(c)34.2GHz；

(d)45GHz。

图8是实施例一在不同频率下的超表面的RCS与同尺寸的金属板RCS二维方向图,其中，

(a)入射TE波为15GHz时超表面的RCS方向图；

(b)入射TE波为24.6GHz时超表面的RCS方向图；

(c)入射TE波为34.2GHz时超表面的RCS方向图；

(d)入射TE波为45GHz时超表面的RCS方向图；

(e)入射TE波为15GHz时同尺寸金属板的RCS方向图；

(f)入射TE波为24.6GHz时同尺寸金属板的RCS方向图

(g)入射TE波为34.2GHz时同尺寸金属板的RCS方向图

(h)入射TE波为45GHz时同尺寸金属板的RCS方向图。

图9是实施例一的RCS缩减量曲线图；

图10是实施例一入射TE极化的电磁波在不同入射角0°—40°的超表面与同尺寸金属的RCS曲线图；

图11是实施例一入射TE极化的电磁波在不同入射角0°—40°的超表面RCS缩减量曲线图。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

实施例一

如图1所示，超表面单元由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形。人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构。两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上(与y轴夹角45°)且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对。切割线谐振器位于V型谐振器所在对角线上且连结在两个V型谐振器之间。两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上(与V型谐振器所在对角线垂直)且对称于介质层表面中心分布，“V”字型的开口相对。其中，V型金属线结构的夹角为90°，V型谐振器的夹角小于180°。V型金属线结构的单边长度小于所述V型谐振器的单边长度。底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。

如图2所示，将图1的超表面单元轴向旋转90°得到另一种超表面单元。两种超表面单元反射幅度相同，反射相位相差π。如果将图1的单元结构编码为“0”，则图2的单元结构编码为“1”，反之亦然。

实施例二

本例选用的超表面单元边长为a＝3毫米，为了更好的实现超表面的散射效果，根据实施例一，将相同的“0”或“1”单元分别组成维度为D(6×6)的超单元。因两个超表面单元之间的相位差为π，所以它们各自组成的超单元的相位差也为π。最终的超表面是由“0”和“1”这两种超单元随机排列后所组成的一个M行N阵的阵列。如无特别说明，后文中提到的“单元”均表示超单元。本例中，设置M＝N＝12。从而，超表面的几何尺寸为(a×D×M)×(a×D×N)＝216mm×216mm。

为了将整个超表面能够在其反射空间实现均匀的漫散射效果，首先要利用遗传算法优化并确定不同反射相位单元的排列位置。本例选用100个由“0”和“1”两种单元随机排序组成的阵列作为遗传算法的初始种群，将阵列天线方向图函数作为适应度函数，交叉算子为单点交叉，交叉概率为90％，变异算子为二进制变异，变异概率为10％。为简化计算，所采用的单元反射幅度均为1V/m，故代入到适应度函数里的值仅为单元的相对反射相位0和π。为实现较好的RCS缩减效果，设置适应度函数的评估值为≥10dB，表示当所有单元排列成超表面的漫反射场大于等于10dB的情况下，遗传算法输出单元的排列位置结果。

本发明主要是实现超宽带双站RCS缩减目的，设置实施例一的工作频率采样点为0.3GHz，观察点的反射角θ(θ＝90°)和方位角的角度采样点分别为D_θ＝91，即为遗传算法将在每个频率采样点，反射角和方位角采样点下分别对超表面的单元阵列排布进行评估，一旦达到评估要求，则会停止迭代计算，并输出最终优化排列结果。

利用电磁仿真软件建立理论模型，如图1和图2所示，结构的具体参数为b＝1.5毫米，w＝0.2毫米，l＝2.6毫米，夹角α＝85°，c＝0.45毫米，夹角β＝90°，h＝0.6毫米。中间介质层选用F4B，介电常数ε_r＝2.65，损耗角正切为0.001。所有金属结构及底层金属板的厚度均为t＝0.035毫米。仿真计算可得到如图3、图4所示的单元结构的反射幅度和反射相位结果，证明了两个单元的反射幅度相同，且反射相位差为π。

通过全波仿真软件分析可得到，在17.1～41.2GHz范围内，超表面的RCS缩减量基本在10dB以上。此外，通过改变入射电磁波的入射角度，从0°至40°的范围内，超表面的RCS缩减量基本都在10dB以上，且对于超表面的工作带宽也并没有随着入射角度的改变而缩小。证明了超表面具有超宽带宽入射角度的RCS缩减效果。

说明：本发明所选用的金属结构参数并不唯一，可通过修改结构的物理尺寸，改变单元的反射相位，从而实现其他工作频段的RCS缩减应用。例如缩小金属结构的尺寸，可令其应用在更高的频率范围或其他波段。

根据实施例一和实施例二，理论计算并描绘了不同编码序列所组成的超表面反射方向图，如图5所示。其中，(a)的编码位为0000…/0000…或1111…/1111…的超表面相当于PEC金属表面，当入射波垂直入射时，该表面呈镜像反射；(b)的编码位为0101…/0101…的超表面会形成两束很强的旁瓣；而(c)的编码位为0101…/1010…超表面又称为棋盘式超表面，会产生四个旁瓣。(d)的编码序列是由实施例二中的遗传算法经优化后给出，从图中可明确看出其RCS缩减的特性。图6是经遗传算法优化后的，由超单元组成的超表面示意图。图7是在全波仿真软件中，建立了该超表面模型，并仿真出了超表面分别在15GHz、24.6GHz、34.2GHz及45GHz下的三维方向图。为了进一步验证该超表面的超宽带RCS缩减特性，将其RCS结果与同尺寸的金属板的RCS结果做对比，如图8所示，超表面和金属板的2维方向图展示了超表面在宽带内，RCS远小于金属，并且在24.6GHz时，产生了均匀的散射场。图9计算了超表面在入射波分别在水平和垂直极化下的RCS缩减量，从图中可明确看出，超表面的最大RCS缩减量可达25dB。

根据实施例二，仿真计算了超表面在斜入射情况下的RCS缩减情况，从图10可看出，超表面和金属板在入射波为水平极化下，入射角度从0°变化至40°的时候，超表面依然具有很好的RCS缩减效果，图11同样表明了超表面在斜入射时，RCS缩减量在宽频带内，依然保持在10dB以上。以上数据表征了本发明所设计的超表面不仅具有超宽带的RCS缩减效果，更有在斜入射时，依然具有超宽带的RCS缩减特性。由此更进一步的证明了本发明的正确性和可靠性。

Claims (8)

1.一种超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于所述超表面散射器由反射幅度相同，反射相位相差π的两种超表面单元按照遗传算法得到的优化规律排列组成，以实现散射方向的优化。

2.根据权利要求1所述的超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于：所述两种超表面单元，其中一种超表面单元由另一种超表面单元轴向旋转90°形成。

3.根据权利要求1所述的一种超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于两种超表面单元分别用编码位“0”和“1”来表征，利用遗传算法来优化“0”和“1”单元的排列方式。

4.根据权利要求1~3任一所述的超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于：所述超表面单元由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，所述底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形，所述人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构，所述两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上且对称于介质层表面中心分布，开口相对，所述切割线谐振器位于所述同一对角线上且连结在两个V型谐振器之间，所述两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上且对称于介质层表面中心分布，开口相对。

5.如权利要求4所述的超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于所述V型金属线结构的夹角为90°，所述V型谐振器的夹角小于180°。

6.如权利要求4所述的超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于所述V型金属线结构的单边长度小于所述V型谐振器的单边长度。

7.如权利要求4所述的超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。

8.根据权利权利要求1所述的超薄超宽带随机编码RCS缩减超表面散射器，其特征在于：所述遗传算法中，将超表面单元随机排列的阵列作为种群，将阵列天线方向图函数作为适应度函数。