CN107093800A - 一种传输型人工电磁表面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种传输型人工电磁表面及其设计方法，该传输型人工电磁表面包括介质基板、覆盖其上表面的随机表面、以及覆盖在其下表面的频率选择表面，其中，所述随机表面为由三种尺寸不同的基本单元随机均匀排布形成的单元阵列，所述频率选择表面为由相同的带枝节方环单元组成的结构阵列。该传输型人工电磁表面实现了高频隐身与低频透波的复合功能，具有厚度薄、质量轻、易加工等特点；其设计方法为：(1)采用传统随机表面设计方法设计构成随机表面的每个基本单元的结构尺寸和空间排列；(2)选取带枝节方环单元组成频率选择表面；(3)构建成基本复合单元，通过电磁仿真调整各单元的结构尺寸，直至满足低频具有高透波性、X波段隐身要求。

Description

一种传输型人工电磁表面及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种人工电磁表面及其设计方法，特别涉及一种传输型人工电磁表面及其设计方法，属于雷达隐身和新型人工电磁材料技术领域。

背景技术

新型人工电磁材料又称为超材料，由亚波长单元结构排列组成，单元的排列方式可以是周期的，也可以是非周期的。自然界中的物质由大量的原子、分子或离子等微观粒子构成，物质的基本属性由这些微观粒子的本身特性及其在空间里的排布方式决定。构成新型人工电磁材料的亚波长单元类似于原子、分子或离子在其构成的自然物质中充当的角色，与这些微观粒子不同，可以通过改变亚波长单元的几何结构和尺寸，利用入射电磁波与单元间的相互作用调控电磁波的传播形式。因此，新型人工电磁材料的电磁特性不仅仅取决于单元材料特性的简单组合，还取决于单元的几何结构。与普通的自然界材料相比，新型人工电磁材料作为多功能材料，显示出更加优越的性能。

近几年来，基于新型人工电磁材料的隐身技术发展迅速，设计原理一般分为两类，一种是通过吸收入射波能量或利用散射波的干涉相消降低目标的后向散射能量；另外一种是控制电磁波的传播路径。相关的隐身器件包括人工电磁材料吸波器、变换光学器件等。

频率选择表面(FSS)是一种2维周期阵列结构，可看作是一种空间滤波器。通常有两种形式，贴片型和孔径性。对于谐振情况下的入射电磁波，这两种阵列分别呈现带阻和带通特性。在雷达散射截面(RCS)减缩中，一般用孔径型FSS作为雷达罩滤除带外入射电磁波，从而减少天线工作频带外的RCS。

传统的随机表面是以金属为背板，借鉴了微带反射阵天线的设计原理。当人工电磁表面的单元反射相位随机分布时，入射波的能量将沿各个方向散射。因此，传统的人工电磁表面可以降低目标的散射截面积。但是，随着人工电磁材料的快速发展，这种隐身功能已经越来越普遍，如何使随机表面更加功能化已然变成了业内研发的方向。

基于此，发明人在现有技术的基础上进行改进，形成了本发明技术。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的在于提供一种传输型人工电磁表面，其在满足隐身性能的同时在低频段具备透波性能；本发明的另一目的在于提供该传输型人工电磁表面的设计方法。

技术方案：本发明所述的传输型人工电磁表面，包括介质基板、覆盖其上表面的随机表面、以及覆盖在其下表面的频率选择表面，其中，随机表面为由三种尺寸不同的基本单元随机均匀排布形成的单元阵列，频率选择表面为由相同的带枝节方环单元组成的结构阵列。

上述组成随机表面单元阵列的三种基本单元的反射系数在X波段幅度均趋于1，其中，每种基本单元的相位均满足线性特性，且同一频点上，任意两种基本单元之间的相位差趋于120°。满足上述三点的，形成的随机表面能够在X波段满足低散射特性。

具体的，组成随机表面单元阵列的基本单元为方环贴片单元。其外环半径为L2，内环半径为L1，三种基本单元的内环半径和外环半径尺寸有所差异。

优选的，相邻的带枝节方环单元之间形成并联枝节；引入并联枝节，类似于等效电路的并联电感，拓宽了整个阻带带宽；提高传输型人工电磁表面的反射特性和透射特性。

其中，上述介质基板为轻质泡沫材料。采用泡沫作为介质极大缩减了整个阵列的质量。

本发明所述的传输型人工电磁表面的设计方法，包括如下步骤：

(1)选取三种尺寸不同的基本单元，采用传统随机表面设计方法得到满足随机表面电磁特性要求的每种基本单元的结构尺寸和空间排列；

(2)选取带枝节方环单元组成频率选择表面，调整带枝节方环单元的结构尺寸，使其满足在X波段的反射率要求和在低频下的透波性能要求；

(3)构建三种基本复合单元，每种基本复合单元由一种尺寸的基本单元、介质基板和频率选择表面的单元自上而下排列形成，分别对三种基本复合单元进行电磁仿真，若三种基本复合单元的幅度和相位特性在低频基本一致，且每种基本复合单元在低频均具备高透波性、在X波段具备隐身特性，说明三种基本单元和带枝节方环单元的尺寸符合设计要求；否则，返回步骤(1)和(2)重新调整各单元的尺寸、直至符合设计要求。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：本发明采用频率选择表面作为整个随机表面的底板，形成的传输型人工电磁表面可以大幅度缩减目标的后向散射截面积，抑制散射波的主瓣和副瓣强度，在8～16GHz都具有很好的隐身性能，满足了传统随机表面的隐身性能，而且，在1～6GHz的低频段内具有很好的透波性能，实现了双功能性，拓宽了应用范围；同时，该传输型人工电磁表面厚度薄、质量轻、易加工，在电磁隐身领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1a为传输型人工电磁表面的结构示意图；

图1b为传输型人工电磁表面中构成随机表面的基本单元的结构示意图；

图1c为传输型人工电磁表面中构成频率选择表面的带枝节方环单元的结构示意图；

图2a为本发明设计的三种基本单元的相位曲线图；

图2b为本发明设计的三种基本单元的幅度曲线图；

图3为本发明设计的传输型人工电磁表面最终阵列的正面示意图，即随机表面的单元阵列示意图；

图4为本发明设计的频率选择表面的反射参数图；

图5a、5b、5c分别为设计例中构建的三种基本复合单元模块的正、反面示意图；

图6a为设计例中构建的三种基本复合单元模块在1-18GHz的透射幅度曲线图；

图6b为设计例中构建的三种基本复合单元模块在1-18GHz的透射相位曲线图；

图7为本发明设计的传输型人工电磁表面最终阵列的背面示意图，即频率选择表面的结构阵列示意图；

图8为1-18GHz频率下，本发明设计的传输型人工电磁表面电磁仿真得到的S21幅度曲线图；

图9为8～16GHz频率范围内，平面波垂直入射时传输型人工电磁表面和纯金属板的RCS缩减值随频率变化曲线；

图10a～10c分别为8GHz、12GHz、16GHz频率下，平面波垂直入射时传输型人工电磁表面和纯金属板的RCS曲线图；

图11为8～16GHz频率范围内，本发明设计的传输型人工电磁表面在微波暗室测试所得RCS缩减值随频率变化曲线；

图12为1～18GHz频率范围内，本发明设计的传输型人工电磁表面在微波暗室测试所得S21幅度曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的传输型人工电磁表面，不仅在所需频段能够隐身，同时在低频段内存在高透波的特性，与传统FSS相比隐身效果更佳。如图1a，该传输型人工电磁表面包括介质基板2、覆盖其上表面的随机表面1、以及覆盖在其下表面的频率选择表面3。

介质基板2可为轻质泡沫材料，其厚度为h，采用泡沫作为介质极大缩减了整个人工电磁表面的质量。

随机表面1为由三种尺寸不同的基本单元11随机均匀排布形成的单元阵列，根据反射相位随机均匀分布原理，利用单元相位的随机均匀分布可有效打散入射到表面的能量，从而实现隐身。该基本单元11可为方环贴片单元，如图1b，其外环半径为L2，内环半径为L1，三种基本单元的结构相同，尺寸不同，即内环半径和外环半径尺寸不同。

组成随机表面单元阵列的三种基本单元的反射系数在X波段幅度均趋于1，且每种基本单元的相位均满足线性特性，另外，在同一频点上，任意两种基本单元之间的相位差趋于120°。满足上述三点，形成的随机表面能够在X波段满足低散射特性。

频率选择表面3为由相同的带枝节方环单元31组成的结构阵列，其在不同的频段呈现不一样的电磁特性，在X波段，即隐身波段，起到金属板的作用，即能将入射的电磁波基本全部反射，从而将能量沿各个方向散射；而在低频段(1-6G)内，具有很好的透波性。

为使频率选择表面能够具有更强的透波性能，可在相邻的带枝节方环单元31之间形成并联枝节32，如图1c；从等效电路角度分析，引入并联枝节相当于并联了电感ΔL，相应的谐振频率会变化，由于带宽和电感、电容的关系，阻带带宽也会受影响，总电感相比于传统频率选择表面(FSS)的等效电感会减小，因此改进型FSS比传统的FSS具有更宽的阻带带宽，反射幅度特性更优，可使得频率选择表面与随机表面结合后在X波段呈现高反射特性，为隐身提供保障，在低频呈现高透射特性，为透波提供保障。

以下设计一个传输型人工电磁表面，并通过实验验证传输型人工电磁表面的隐身性能和透波性能。

首先根据要设计的随机表面的电磁特性确定三种基本单元的结构尺寸和空间排列。

具体的，可采用传统随机表面的设计方法确定。每种单元的移相曲线要满足以下几点要求：首先，单元的移相曲线中相位的变化范围须达到360度，使整个阵列拥有较强的相位调节能力；其次，单元的相位与尺寸满足线性关系，如果移相曲线是非线性变化的，那么相位与单元结构之间的关系变得复杂，结构上微小的变化都将引起反射相位的变化，容易引入误差，这直接影响到低散射随机表面的工作带宽；最后，移相曲线的斜率须选择较小值，使曲线变化缓慢，这样可以降低相位的灵敏度，减少误差。

本设计例选用方环贴片单元作为随机表面1的基本单元，三种基本单元的尺寸L1/L2分别为3.2/10.4、11.4/11.6、2.0/6.0，分别将三种基本单元置于介质基板上，仿真其相位和幅度，如图2a～2b，三种基本单元的反射特性在X波段均保持在较高值，基本全反射，相位均满足线性特性，相位覆盖范围也较大，同时在同一频点处，三者相位差均保持在120度左右；保证了整个随机表面的相位随机均匀分布，也为隐身提供了保障。最终设计的随机表面的单元阵列如图3，同一尺寸的基本单元以2×2组成一个小阵列，这样跟单元的仿真边界条件更相近，具有的反射特性也更准确。整个随机表面阵列由三种小阵列随机均匀排布而成，当电磁波照射到随机表面后向各个方向散射，与反射阵天线的高定向性散射模式不同，该散射模式中没有强散射峰，能量被打散到各个方向，这就是低散射人工电磁表面可以应用到隐身领域的原因。

选取带枝节方环单元31组成频率选择表面3，本设计例中对其进行了改进，引入了并联枝节32，如图1c，其反射幅度特性如图4，因此其在X波段具有很高的反射率，在低频有窄带透波。

频率选择表面的选取除了本身体现的高反射和高透波特性之外，还要考虑附着在介质表面的随机表面单元阵列，要使整个传输型人工电磁表面在低频具有很好的透射性能同时高频隐身。随机表面阵列对频率选择表面的特性会有一定的影响，因此，选取基本复合单元进行电磁仿真验证其性能，利用CSTMicrowaveStudio仿真软件构建三种基本复合单元模型，每种基本复合单元模块的上表面是相同尺寸基本单元组成的阵列，中间一层是由轻质泡沫组成的介质层，下表面是频率选择表面，如图5a～5c，其中，图5a中基本单元的尺寸L1/L2为2.0/6.0，图5b中基本单元的尺寸L1/L2为3.2/10.4，图5c中基本单元的尺寸L1/L2为11.4/11.6。

利用波导模拟器，将与入射电场垂直的面设置为理想电壁，与理想电壁垂直的面设置为理想磁壁，由于基本单元一共分为三种尺寸，因此需要对三种传输型人工电磁表面的基本复合单元模块进行仿真。为了达到整个传输型人工电磁表面的高透波，三种基本复合单元模块表现出来的特性必须相差不大，这样最终阵列结果即是单元叠加的结果，同时三种基本复合单元模块在低频都需要表现出高透波特性，并且谐振频点也要基本在同一频点，以保证最终整体阵列的在该频点的透波性。需要提及的是，在需要隐身的微波频段即X波段，频率选择表面在这一频段表现出高反射特性基本就能满足整体阵列的隐身性能，但不排除单元与频选表面存在耦合的情况，因此也需要关注一下基本单元模块在X波段的S参数特性。电磁仿真结果如图6a，三种基本复合单元模块的S21的幅度曲线在1-6GH频段内基本保持一致，且在5GHz左右存在一个高透射峰，同时可以看出在X波段，透射基本很小；图6b是三个基本复合单元模块的S21的相位曲线，1-6GHz的一致性也很好地保证了整体阵列能在此频段内透波。

因此，最终设计的传输型人工电磁表面整体阵列的正面如图3，是由三种方环形基本单元小阵列随机均匀分布而成，整体尺寸是286mm×286mm，中间是由轻质泡沫组成的介质层，背面是相同的带枝节方环单元组成的阵列、且相邻带枝节方环单元之间形成并联枝节，如图7。

将本发明设计的传输型人工电磁表面进行电磁仿真，仿真透射系数时利用波导模拟器，模拟平面波照射无限大平面，仿真结果如图8，可见在5GHz左右存在一个高透射峰，透射系数超过90％；仿真远场RCS时，采用平面波垂直入射到传输型人工电磁表面，为模拟实际情况中的远场条件，将馈源设为平面波，分别正入射至裸金属板和覆盖了随机表面的金属板，在8～16GHz每隔1GHz频率点添加远场RCS监视器，仿真所得8～16GHz内RCS缩减随频率变化曲线如图9，可以看出，该传输型人工电磁表面在8～16GHz的RCS缩减值均大于10dB；选取三个频点下随机表面的RCS曲线，与对应频点下垂直入射金属表面的RCS曲线进行对比，如图10a～10c，可以看出，本发明设计的随机表面具有很好的隐身性能。

将设计得到的传输型人工电磁表面放入微波暗室中，测试隐身性能时，在满足远场条件的情况下，利用具有时域门功能的矢量网络分析仪测量，天线无限靠近放置模拟正入射情况，电磁波的频率为8～16GHz，得到本发明设计的随机表面在平面波垂直入射时的RCS缩减值随频率变化曲线，如图11，可以看出，在8～16GHz内平均RCS缩减达到10dBsm以上，具有较宽的隐身频带，同时，该曲线的整体趋势与仿真结果基本吻合，且都满足很好的隐身性能，由于加工和测量误差，存在一定频偏。测试透射性能时，采用两个1-8GHz的天线喇叭分布在样品两侧进行一接一收测试，透射特性结果的幅度曲线如图12，在5GHz左右出现了一个很强的透射峰，同时在这一频段内的透射曲线与仿真结果基本一致，由于加工和测量误差，透射带宽略有缩减。

可见，本发明的传输型人工电磁表面实现了高频隐身与低频透波的复合功能，具有厚度薄、质量轻、易加工、隐身频带宽、透射系数高等特点，在电磁隐身领域有着广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种传输型人工电磁表面，其特征在于，包括介质基板、覆盖其上表面的随机表面、以及覆盖在其下表面的频率选择表面，其中，所述随机表面为由三种尺寸不同的基本单元随机均匀排布形成的单元阵列，所述频率选择表面为由相同的带枝节方环单元组成的结构阵列。

2.根据权利要求1所述的传输型人工电磁表面，其特征在于，组成所述随机表面单元阵列的三种基本单元的反射系数在X波段幅度均趋于1，其中，每种基本单元的相位均满足线性特性，且同一频点上，任意两种基本单元之间的相位差趋于120°。

3.根据权利要求1所述的传输型人工电磁表面，其特征在于，组成所述随机表面单元阵列的基本单元为方环贴片单元。

4.根据权利要求1所述的传输型人工电磁表面，其特征在于，所述频率选择表面中，相邻的带枝节方环单元之间形成并联枝节。

5.根据权利要求1所述的传输型人工电磁表面，其特征在于，所述介质基板为轻质泡沫材料。

6.一种权利要求1所述的传输型人工电磁表面的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)选取三种尺寸不同的基本单元，采用传统随机表面设计方法得到满足随机表面电磁特性要求的每种基本单元的结构尺寸和空间排列；

(2)选取带枝节方环单元组成频率选择表面，调整带枝节方环单元的结构尺寸，使其满足在X波段的反射率要求和在低频下的透波性能要求；

(3)构建三种基本复合单元，每种基本复合单元由一种尺寸的基本单元、介质基板和频率选择表面的单元自上而下排列形成，分别对三种基本复合单元进行电磁仿真，若三种基本复合单元的幅度和相位特性在低频基本一致，且每种基本复合单元在低频均具备高透波性、在X波段具备隐身特性，说明三种基本单元和带枝节方环单元的尺寸符合设计要求；否则，返回步骤(1)和(2)重新调整各单元的尺寸、直至符合设计要求。