CN107204524A - 基于p‑b相位结构的人工电磁表面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于P‑B相位结构的人工电磁表面及其设计方法，包括介质基板、覆盖在其下表面的金属背板和覆盖在其上表面的基本单元阵列，该基本单元阵列由四种结构尺寸相同、旋转角不同的N形基本单元随机均匀排布形成，N形基本单元为N形P‑B相位结构单元。其设计方法包括如下步骤：(1)确定满足隐身频段要求的N形基本单元的结构尺寸；(2)采用迭代傅里叶算法设计出单元阵列的相位分布；(3)将相位分布离散成0、90、180、270四个相位值、通过圆极化波激励确定四个相位值对应的四种N形基本单元的旋转角；(4)将四种N形基本单元按照离散相位分布进行排布，得到最终的单元阵列。该人工电磁表面能够有效打散入射到表面的能量，实现隐身。

Description

基于P-B相位结构的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，特别涉及一种基于P-B相位结构的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。本专利介绍了一种传输型超薄低散射人工电磁表面，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，同时在低频段有很强的透波。

传统的人工电磁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。

但是，传统的人工电磁表面的设计方法比较复杂：首先得确定满足相位分布的单元尺寸，由于单元参数较多，虽然通过扫参最终能得到满足对应相位条件的基本单元，但是总体来说扫参寻找单元的尺寸比较繁琐，而且工作量较大；同时即便对应相位的单元找到之后，整个阵列的排布也是需要优化的一个内容，设计相位是通过MATLAB生成的一组随机数，matlab生成的随机数构成的阵列并不一定能保证对应的相位排布就能有效打散入射波的能量，需要优化算法将阵列排布优化，而现有的优化算法基本采用单元远场或者单元表面电磁流叠加的原理进而优化整个相位排布，这里的单元远场或者单元表面电磁流需要用仿真软件提取，选用FEKO仿真软件提取的结果相对来说较准确但是仿真需要一定时间；可见，传统的人工电磁表面的设计不管是从单元确定还是相位排布确定都是相对来说比较繁琐的，同时由于算法的收敛性问题最终得到的相位排布也不能完全保证阵列的散射特性。

P-B相位结构由于其对圆极化波的特殊响应，导致其相位在圆极化波入射情况下随旋转角之间均匀变化，对于针对圆极化电磁波激励的人工电磁表面来说，其依靠圆极化特征与不同旋向谐振单元的作用，具有Pancharatnam-Berry相位，其工作频带大大展宽，结构单元也更加简单。

目前尚未有采用P-B相位结构设计人工电磁表面、实现隐身的相关文献公开，本发明基于P-B相位结构提供一种设计人工电磁表面的新方法。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种基于P-B相位结构的人工电磁表面，并提供该人工电磁表面的新方法。

技术方案：本发明所述的基于P-B相位结构的人工电磁表面，包括介质基板、覆盖在其下表面的金属背板、和覆盖在其上表面的基本单元阵列，该基本单元阵列由四种结构尺寸相同、旋转角不同的N形基本单元随机均匀排布形成，该N形基本单元为N形P-B相位结构单元。

具体的，基本单元阵列由四种5×5的小阵列对应人工电磁表面的相位分布排布形成，每种小阵列为由同一旋转角的N形基本单元排列形成。

在圆极化波激励下，上述每种N形基本单元的交叉极化反射波的幅度在隐身频段内趋于1，且四种N形基本单元的相位均满足线性特性，同一频点上，任意两种N形基本单元之间的相位差趋于90°。

本发明所述的基于P-B相位结构的人工电磁表面的设计方法，包括如下步骤：

(1)通过圆极化波激励进行电磁仿真，确定满足隐身频段要求的N形基本单元的结构尺寸；

(2)采用迭代傅里叶算法正向设计出基本单元阵列的相位分布；

(3)将得到的相位分布离散化，离散成0、90、180、270四个相位值；通过圆极化波激励进行电磁仿真，确定四个相位值对应的四种N形基本单元的旋转角；

(4)将四种N形基本单元按照步骤(3)得到的离散相位分布进行排布，得到人工电磁表面最终的单元阵列。

上述步骤(1)中，选取的N形基本单元的反射相位在隐身频段内线性变化，且在圆极化波激励下，其交叉极化反射波的幅度在隐身频段内趋于1。

具体的，步骤(2)中，先采用迭代傅里叶算法对初始阵因子方向图进行削减，得到满足设计要求的理想阵因子方向图；然后将理想的阵因子方向图进行逆傅里叶变换得到人工电磁表面的单元阵列的相位分布。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明采用新型P-B相位结构作为人工电磁表面的基本单元，利用其在圆极化波激励条件下相位的特殊性实现人工电磁表面的相位随机分布，进而将能量打散，有效实现散射功能；将本发明设计的人工电磁表面加工成实物，测试结果与仿真结果吻合，在10～18GHz的频段内RCS缩减值大于10dB；(2)本发明基于迭代傅里叶算法的正向设计得到人工电磁表面对应的相位分布，整个设计过程简单操作易实现、且得到的相位分布更准确；(3)将通过迭代傅里叶算法得到的对应相位分布离散成四种相位值，简化单元复杂度，只需要找到P-B结构在对应相位的旋转角即可得到最终阵列，从仿真上来讲相比于传统随机表面单元的设计更简便。

附图说明

图1a为本发明的基于P-B相位结构的人工电磁表面的结构示意图；

图1b为本发明的基于P-B相位结构的人工电磁表面的基本单元结构示意图；

图2a为本发明设计的四种不同旋转角对应单元的交叉极化反射系数幅度曲线；

图2b为本发明设计的四种不同旋转角对应单元的交叉极化反射系数相位曲线；

图3a为本发明设计的基于P-B相位结构的人工电磁表面最终单元阵列示意图；

图3b为旋转角为10度的N形基本单元排列形成的5×5小阵列结构示意图；

图4a为10～18GHz频率下，本发明设计的人工电磁表面阵列总场的RCS缩减值随频率变化曲线；

图4b为10～18GHz频率下，本发明设计的人工电磁表面阵列总场右旋圆极化分量的RCS缩减值随频率变化曲线；

图5a～5c分别为12GHz、14GHz和16GHz频率下，平面波垂直入射时，本发明设计的基于P-B相位结构的人工电磁表面阵列总场RCS和纯金属板的RCS曲线图；

图6为8～18GHz频率范围内，本发明设计的基于P-B相位结构的人工电磁表面在微波暗室测试所得总场RCS缩减值随频率变化曲线。

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。

本发明的基于P-B相位机构的人工电磁表面，如图1a，包括介质基板2、覆盖在其下表面的金属背板3、和覆盖在其上表面的基本单元阵列1，该基本单元阵列由四种结构尺寸相同、旋转角不同的N形基本单元11随机均匀排布形成；其中，N形基本单元11采用N形P-B相位结构单元，其单元结构如图1b。

具体的，基本单元阵列1是由四种5×5的小阵列根据人工电磁表面的相位分布排列形成，每种小阵列由同一旋转角的N形基本单元11排列形成。

以N型P-B相位结构作为构成单元阵列的基本单元，利用P-B结构在圆极化波激励条件下，其交叉极化反射相位在一个很宽的频带内随其旋转角均匀变化，利用反射相位与旋转角的这种线性关系，通过四种不同旋转角的N形基本单元来实现相位的均匀分布，且四种N形基本单元的相位均满足线性特性，同一频点上，任意两种N形基本单元之间的相位差趋于90°，从而可有效散射能量。而且，在圆极化波激励下，每种N形基本单元的交叉极化反射波的幅度在隐身频段内趋于1，即基本全反射，从而保证了本发明的人工电磁表面的隐身功能。

以下基于P-B相位结构设计一个人工电磁表面，并通过实验验证该人工电磁表面的隐身性能。该人工电磁表面要求能在10～18GHz的频段内能够实现隐身。

传统的人工电磁表面都是平面波入射，但是发明设计的人工电磁表面基于P-B单元结构对于圆极化的特殊相应，因此采用圆极化平面波激励。

首先，通过电磁仿真，在圆极化波激励下，确定满足隐身频段要求的N形基本单元的结构尺寸。

具体的，N形基本单元的选取需要遵循两个原则：其一，单元反射相位在较宽频带内线性变化，相位覆盖率最好能达到360度，同时选取的n种基本单元在同一频点处的相位差也要满足这样才能保证能量的有效打散；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，容易在实验环节引入误差，这直接影响到低散射人工电磁表面的工作带宽；另外，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，减少设计误差；其二，单元的反射幅度在较宽频段内保持高反射特性。

本设计例根据上述原则选取的N形基本单元的单元结构如图1b。

其次，确定设计的人工电磁表面所需要满足的相位分布，也就是介质基板上表面的基本单元阵列的相位分布。

传统的相位分布阵列是由MATLAB生成一组随机数，这种方法不能保证生成的这组随机数能有效地分散能量，也有相关优化算法优化相位分布，但是优化算法大多比较复杂，并且最终优化结果也未必能实现理想的阵列相位排布。

基于单元幅相和方向图之间是一组傅里叶变换关系，本设计例采用迭代傅里叶算法正向设计单元阵列的相位分布。可先采用迭代傅里叶算法对初始阵因子方向图进行削减，得到满足设计要求的理想阵因子方向图，然后将理想的阵因子方向图进行逆傅里叶变换得到对应的相位分布，再对新生成的相位分布(只考虑无耗介质，因此单元幅度均置为1)进行傅立叶变换作为新的方向图以此不停迭代，当方向图数值无限接近理想值或者达到迭代次数时迭代停止。这种迭代傅里叶算法正向设计了人工电磁表面单元阵列的相位分布，有效保证了最终得到的阵列排布能有效打散能量。

单元阵列的相位分布得到后，将其离散化，离散成四个数值：0、90、180、270，以减少单元选取的复杂性；离散后的相位分布得到之后，确定在相应频点满足这种相位分布的单元。

本发明所采用的基本单元是N型P-B相位结构单元，这种单元的特点在于当圆极化波激励时其相位与旋转角之间有一定的线性关系，即同一频点处，相邻旋转角对应单元的相位差基本一致，根据迭代傅里叶算法所得相位分布离散所得的最后四个相位值，找出每一个相位所对应的旋转角。

通过电磁仿真，当单元旋转角为10度时，其在8.8GHz频点上对应的相位为0度，当单元旋转角为48度时，其在8.8GHz频点上对应的相位为90度，当单元旋转角为100度时，其在8.8GHz频点上对应的相位为180度，当单元旋转角为138度时，其在8.8GHz频点上对应的相位为270度，仿真交叉极化反射系数时采用左旋圆极化波激励，利用频域仿真，模拟平面波照射无限大平面，图2b显示了交叉极化情况下四种旋转角的N形基本单元对应的反射相位随频率变化曲线，可以看出，四种N形基本单元对应同一频点的相位差基本一致，同时对于某一个特定的旋转角theta，其反射相位随频率变化曲线有很好的线性度，同时相位基本能达到覆盖360度的要求。交叉极化情况下四种旋转角对应的N形基本单元的反射幅度曲线如图2a，可以看出四种N形基本单元的反射幅度基本趋于1，即满足高反射要求。

最终的人工电磁表面设计基于这种N型P-B结构单元，如图3a，选取上述四种旋转角对应的相位根据迭代傅里叶算法生成并进行离散后的相位分布形成最终的单元阵列，同一旋转角的单元以5×5组成一个小阵列，如图3b，这样跟单元的仿真条件更相近，具有的反射特性也更准确。整个人工电磁表面单元阵列由四种小阵列随机均匀排布而成，由于P-B结构只对圆极化波有相位线性变化相应，因此采用左旋圆极化电磁波照射到人工电磁表面，由于相位的均匀分布导致后向各个方向散射，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。

由于单元是在左旋圆极化波激励条件下满足相关特性，最终阵列也是左旋圆极化波激励，由于单元的交叉极化转化率即右旋反射波的幅度很高，因此相应的同极化转化率很低，最终远场是由左旋分量和右旋分量叠加而成，由于左旋反射波的幅度很小，因此最终远场中所占比例也较小，相比于PEC的RCS缩减总场与右旋圆极化分量趋势基本一致。利用CSTMicrowaveStudio构建整个阵列模型，最终整体阵列的正面如图3，是由四种旋转角不同的N型P-B结构小阵列随机均匀分布而成，整体尺寸是290mm×290mm，中间介质是由介电常数为2.65的F4B组成的介质层，背面是PEC。

对设计得到的人工电磁表面进行电磁仿真，采用左旋圆极化波入射，分别正入射至裸金属板和覆盖了单元阵列的金属板，在10GHz～18GHz每隔0.5GHz设置远场监视器，总场的RCS缩减值随频率变化曲线如图4a，右旋圆极化波分量的RCS缩减随频率变化曲线如图4b，可见在10GHz～18GHz频段内两种情况下的RCS缩减均超过10dB，并且趋势一致。选取三个频点12GHz、14GHz、16GHz下宽带人工电磁表面的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5a～5c，可以看出，本发明设计的人工电磁表面具有很好的隐身性能。

将设计得到的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，采用圆极化天线，天线无限靠近放置模拟正入射情况，电磁波的频率为8～18GHz，得到本发明设计的人工电磁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6，可以看出，在9～18GHz内总场的平均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。

上述实验证明了本发明设计方法的正确性，采用本发明的方法设计的基于P-B相位结构的人工电磁表面具有厚度薄、易加工、隐身频带宽等特点，在电磁隐身领域有着广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于P-B相位结构的人工电磁表面，其特征在于，包括介质基板、覆盖在其下表面的金属背板、和覆盖在其上表面的基本单元阵列，该基本单元阵列由四种结构尺寸相同、旋转角不同的N形基本单元随机均匀排布形成，所述N形基本单元为N形P-B相位结构单元。

2.根据权利要求1所述的基于P-B相位结构的人工电磁表面，其特征在于，在圆极化波激励下，每种N形基本单元的交叉极化反射波的幅度在隐身频段内趋于1，且四种N形基本单元的相位均满足线性特性，同一频点上，任意两种N形基本单元之间的相位差趋于90°。

3.根据权利要求1所述的基于P-B相位结构的人工电磁表面，其特征在于，所述基本单元阵列由四种5×5的小阵列对应人工电磁表面的相位分布排布形成，每种小阵列为由同一旋转角的N形基本单元排列形成。

4.一种权利要求1所述的基于P-B相位结构的人工电磁表面的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过圆极化波激励进行电磁仿真，确定满足隐身频段要求的N形基本单元的结构尺寸；

(2)采用迭代傅里叶算法正向设计出所述基本单元阵列的相位分布；

(3)将得到的相位分布离散化，离散成0、90、180、270四个相位值，通过圆极化波激励进行电磁仿真，确定四个相位值对应的四种N形基本单元的旋转角；

(4)将四种N形基本单元按照步骤(3)得到的离散相位分布进行排布，得到人工电磁表面最终的单元阵列。

5.根据权利要求4所述的基于P-B相位结构的人工电磁表面的设计方法，其特征在于，步骤(1)中，选取的N形基本单元的反射相位在隐身频段内线性变化，且在圆极化波激励下，其交叉极化反射波的幅度在隐身频段内趋于1。

6.根据权利要求4所述的基于P-B相位结构的人工电磁表面的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，先采用迭代傅里叶算法对初始阵因子方向图进行削减，得到满足设计要求的理想阵因子方向图；然后将理想的阵因子方向图进行逆傅里叶变换得到人工电磁表面的单元阵列的相位分布。