CN108183333A - 柔性柱面共形超散射器及其结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于共形技术领域，具体为一种高效柱面共形超散射器及其结构设计方法。本发明由超散射器元胞在z方向进行有限周期延拓形成；超散射器元胞由柔性超表面、金属圆柱以及泡沫圆环柱组成；柔性超表面的相位关于超表面中心呈现轴对称分布，包括线性梯度相位以及曲面曲率补偿相位，由系列结构相同的超表面单元沿圆柱面圆周方向和轴向方向排列实现，其中超表面单元在圆周方向上呈现非周期排列而在轴向方向呈现周期排列。本发明能将金属柱面圆周方向上均一化的散射能量集中高定向散射于空间两个方向，实现高效双向奇异波束偏折，具有工作频带宽、极化不敏感、散射强度集中、方向性好、效率高、超薄且能与任意曲面平台共形等特点。

Description

柔性柱面共形超散射器及其结构设计方法

技术领域

本发明属于共形技术领域，具体涉及一种能加载于任意曲面平台的高效、宽带、极化不敏感的柔性柱面共形超散射器及其结构设计方法。

背景技术

具有任意形状的曲面平台在工程实际中普遍存在，尤其对于高速运行的飞机、导弹、火箭等，空气动力学是主要考虑的因素。另外，多面和曲面结构由于具有很低的雷达双站散射横截面(RCS)，在隐身领域广受青睐。在过去的几十年内，大量科学研究和工程技术人员投身于共形技术和共形天线阵的研究。尽管如此，很少有人去研究如何增强曲面物体的散射强度，大部分工作集中于研究它的对立面，即如何实现RCS减缩。调控目标的RCS在不同领域具有不同用途，例如，降低RCS对实现目标隐身具有重要意义，但对于偏僻区域的曲面目标发现和检测则是障碍，如何灵活调控高速运行曲面目标的散射波束数量、方向以及有效增加远场散射信号强度，对我方高速运行目标如飞机、舰船和潜艇的生存、营救与航行安全尤为重要。同时，实际应用过程中为保证目标散射信号被安全接收，往往还希望发射信号在任意极化的电磁波照射下均能有效对目标进行探测，因此迫切需要目标具有极化不敏感的散射特性。

本发明基于射线追踪法和PB相位技术提出了一种能与任意曲面平台共形的高效、宽带、极化不敏感柔性超散射器，并建立其结构参数设计方法，将柱面圆周方向上的均一化散射能量集中高定向散射于空间两个方向，实现高效双向奇异波束偏折；利用PB相位特性解决目标散射特性的极化不敏感性；基于相位关系与色散工程方法来保证散射器的效率和工作带宽。本发明共形散射器具有工作频带宽、极化不敏感、散射强度高、方向性好、效率高、超薄等优势，且共形曲率相位修正方法简单、有效、精度高，解决了偏僻区域共形高速飞行器不易发现、探测等问题，为目标准确定位与及时搜救提供了一种技术保障。

发明内容

本发明目的在于提出一种能加载于任意曲面平台的具有极化不敏感的超宽带、高效柔性柱面共形超散射器及其结构设计方法。

本发明提出的高效、宽带、极化不敏感的柔性柱面共形超散射器，其超散射器元胞结构如图1所示。所述超散射器元胞由加载于任意曲面平台的高效、宽带、极化不敏感柔性超表面，用于充当柔性超表面地板和起支撑作用的半径为R_o和高度为h的金属圆柱，以及用于拓展超表面工作带宽的泡沫圆环柱组成；其中，金属圆柱与泡沫圆环柱等高且泡沫圆环柱紧紧包裹在金属圆柱之上，即泡沫圆环柱的内径等于金属圆柱的半径，泡沫圆环柱的厚度为h₂，柔性超表面厚度为h₁；柔性超表面自然伸展，紧紧包裹在泡沫圆环柱面上；所述柔性超表面由一系列结构相同的超表面单元沿圆柱面圆周方向排列组成，在圆周方向上超表面单元依次旋转一定角度Φ，单元反射相位为几何贝尔相位，且满足所示超表面单元在圆周方向上呈现非周期(不等间距)分布；所述超表面单元周期为p，由底层金属地板、柔性介质板、空气层以及上层(厚度为0.036mm)的耶路撒冷金属结构组成，如图2所示。将超散射器元胞在z方向(即圆柱形的轴向)有限周期延拓K个(K≤10λ/p，p为单元周期，λ为工作波长)即可得到整个柱面共形超散射器，如图2所示。

本发明中，所述柔性超表面的相位关于超表面中心呈现轴对称分布，相位由基于广义Snell折射定律的线性梯度相位以及用于修正圆柱曲面曲率的补偿相位两部分组成，即这里i表示超表面单元序号，超表面中心i＝1，往两边逐渐增大；所述线性相位由M个相位梯度(超单元)沿圆周周期重复(首尾顺序)连接，呈折线分布，每个相位梯度由N个间隔为的离散相位(单元)组成，并满足和2*M*N*p≤πR_o；同时为保证双向奇异波束偏折，依次滞后，且满足：

这里，M和N由柱面超散射器的半径R₀决定；所述补偿相位根据射线追踪法确定，使柱面超表面单元在参考面的投影等间距p排列，由此确定柱面上单元位置P(i)和补偿相位

P(i)＝R_oarcsin((i-1)p/R_o)

这里，λ₀为设计工作频率f₀处的工作波长，同时为减小截断效应的影响，这里R₀和h应满足πR₀≥10λ，h≥8λ。

本发明中，进一步优化所述耶路撒冷金属结构的超表面单元，优化的结构参数如下：l_x＝6，l_y＝7.5，l_x1＝3.8，l_y1＝2，w₁＝1，w₂＝0.5，h₁＝0.06和h₂＝4mm。这里l_x和l_x1为耶路撒冷结构沿x方向上两个金属条的长度，l_y和l_y1为耶路撒冷结构沿y方向上两根金属条的长度，w₁为耶路撒冷结构中间两根金属条的宽度，w₂为耶路撒冷结构边缘四根金属条的宽度，h₁为介质板的厚度，h₂为空气泡沫板的厚度。

本发明中，超表面单元中的所有金属均为铜；所述柔性介质板的介电常数可为ε_r＝3.4，厚度可为0.06mm，电正切损耗tanσ＝0.001。

本发明设计的超散射器能将金属柱面圆周方向上均一化的散射能量集中高定向散射于空间两个方向，实现高效双向奇异波束偏折(如图3所示)，具有工作频带宽、极化不敏感、散射强度集中、方向性好、效率高、超薄且能与任意曲面平台共形等优势，且共形曲率相位修正方法简单、有效、精度高。

本发明还涉及所述柔性超表面的结构设计方法(包括曲面相位修正)，如图4所示，具体步骤如下：

第一步：根据功能设计平面超散射器的基本结构

首先，根据实现功能设计长度为L＝π*R_o和高度为h的平面超散射器，其工作原理是基于广义Snell折射/反射定律的波束偏折，因此超散射器的表面相位服从线性分布。为在水平方向产生两个对称高定向波束，平面散射器由两侧关于中心呈轴对称的线性梯度形成，用i表示超表面单元序号，超表面中心i＝1，往两边逐渐增大，所述线性相位由M个相位梯度(超单元)周期重复(首尾顺序)连接，呈折线分布，每个相位梯度由N个间隔为的离散相位(单元)组成并满足和2*M*N*p≤πR_o。同时为保证奇异波束对称偏折在两个相反方向上，依次滞后且满足i＝1,2,...,n。这里M和N由柱面超散射器的半径R₀决定。

第二步：建立平面到曲面的一一映射，实现曲率补偿与相位修正

以第一步所述平面超散射器所在面为参考面，柱面与圆柱面等高且平行放置，将柱面投影到参考面，为保证柱面超表面单元在参考面上投影后满足能等间距p排列，柱面上超表面各单元的位置满足P(i)＝R_o arcsin((i-1)p/R_o)。根据射线追踪法确定柱面各点与参考面之间的距离，计算光程差，并根据光程差确定补偿相位：

第三步：高效、宽带、极化不敏感柔性超表面散射器设计(包括结构参数的设计)

根据第一步和第二步确定的和确定所述柔性超表面的相位现分布其相位由2部分组成，即基于广义Snell折射定律实现平面高定向波束偏折的线性相位以及基于射线追踪法修正柱面曲率的补偿相位

确定相位分布后，下一步考虑提高柱面超散射器的工作带宽、效率以及极化不敏感性。而实现宽带、极化不敏感柔性超表面的首要问题是设计具有宽频工作以及极化不敏感特性的超表面单元，其基本理论依据是超表面的群集响应由单元的宽带、极化不敏感特性决定。为使超散射器在任意极化下均能工作，从而提高功能的极化稳定性，这里采用几何贝尔相位(PB)来实现柔性超表面的相位分布。同时为实现高效工作，单元在x、y正交极化下的相位响应和满足相位差且单元反射幅度r_xx和r_yy接近1，该情形下携带PB相位信息的圆极化分量达到最大，而其它反射分量被压制到最小，接近于零。而为获得宽频工作，这里采用色散工程方法使得和的斜率在很宽的带宽范围内保持平行，数学上通过在几个关键特殊频率处满足来保证，具体通过调节耶路撒冷结构的6根金属条长度来调谐。

根据上述分析，选择单层耶路撒冷反射结构作为实现柔性超表面散射器的基本单元，如图5所示，整个单元由上层耶路撒冷金属结构、空气层(泡沫板)、中层柔性介质板(介电常数ε_r＝3.4，厚度0.06mm，电正切损耗tanσ＝0.001)和底层金属地板组成。通过上层金属结构和地板的耦合提供谐振于不同频率的多个磁谐振模式，打开单元在边缘频率处的相位，提高单元相位响应的线性度，同时增加一层接近于空气介电常数的泡沫板来降低单元的品质因数，提高反射幅度和均一性，利用多模级联思想和增加空气层厚度来最终拓展的带宽。最后根据相位分布和单元结构参数，通过旋转耶路撒冷结构并通过寻根算法，在商业仿真软件CST中利用VBA宏建立柔性超散射器拓扑结构。

所述超宽带、极化不敏感柔性超表面及其结构设计方法，优化确定了一组能实现超宽带、高效超散射工作的耶路撒冷单元结构参数，具体如下：l_x＝6，l_y＝7.5，l_x1＝3.8，l_y1＝2，w₁＝1，w₂＝0.5，h₁＝0.06和h₂＝4mm。这里l_x和l_x1为耶路撒冷结构沿x方向上两个金属条的长度，l_y和l_y1为耶路撒冷结构沿y方向上两根金属条的长度，w₁为耶路撒冷结构中间两根金属条的宽度，w₂为耶路撒冷结构边缘四根金属条的宽度，h₁为介质板的厚度，h₂为空气泡沫板的厚度。

附图说明

图1为柱面共形超散射器元胞结构图。

图2为柱面共形超散射器结构图。

图3为柱面共形超散射器的功能示意图。

图4为柱面共形超散射器的曲面相位纠正示意图。

图5为PB超表面单元的结构图。

图6为PB超表面单元分别在x、y正交极化激励下的反射幅度、相位响应图。

图7为PB超表面单元在圆极化波垂直入射激励下的反射幅度、相位和效率图。

图8为PB超表面单元在圆极化波斜入射激励和下的反射幅度、相位图。

图9为R₀＝156mm时共形柱面色散器在不同设计频率f₀和不同情形下的相位

图10为R₀＝95mm时共形柱面色散器在不同设计频率f₀下的相位

图11为柱面共形散射器在R₀＝156mm和f₀＝15GHz时8个代表频率处的三维散射方向图。

图12为平面和柱面共形散射器在R₀＝156mm时不同设计频率f₀下的二维散射方向图。

图13为平面和柱面共形散射器在R₀＝95和156mm时不同设计频率f₀下的二维散射方向图。

图14为f₀＝10GHz时6个代表频率处平板、共形散射器和裸金属圆柱的二维散射方向图对比结果。

具体实施方式

为综合衡量计算时间、样品制作成本以及超表面有限尺寸对散射特性的影响，本发明实施例中选择N＝4，因此超单元中4个耶路撒冷结构单元的依次滞后且为360°、270°、180°和90°。为不失一般性，全面检验本发明方法的可行性，分别基于R₀＝95和R₀＝156mm的2个金属圆柱设计了2种柱面超散射器，分别包含21个和33个耶路撒冷单元。

为设计、验证耶路撒冷结构单元的高效率与宽带特性，采用商业仿真软件CST对单元结构进行参数优化，并对权利要求3所提供结构参数的单元进行仿真。如图6所示，在8.3～23.5GHz范围内单元相位特性曲线和几乎保持平行，180°相位差满足带宽达到95.6％，同时反射幅度在整个频段内几乎保持在1附近，这是保证超散射器高效工作的前提。从图7可以看出，圆极化同极化转换效率在8.17～22.1GHz范围内超过93.5％，而交叉极化分量几乎被压制，均小于0.25。如图8所示，斜入射下单元的带宽和同极化分量转换效率随着入射角从0°增加到45°而不断恶化，尽管如此，30°斜入射下，效率仍然高于87.7％，即便在45°斜入射下效率仍高于70.5％。上述特性对任意曲面平台的共形设计尤为重要，因为对于大曲率平台，超表面绝大多数单元均不满足垂直入射，部分单元甚至属于大入射角电磁照射。这里斜入射下单元带宽变窄主要由高端边缘频率向低频方向移动引起。

单元结构确定之后，下面我们只需通过整体旋转耶路撒冷单元来实现柔性超表面所需要的相位分布，从而获得整个柔性超散射器上所有单元的结构，即整个拓扑结构。通过旋转单元Φ，圆极化激励下我们可以得到突变相位最后，将柔性超表面包裹在泡沫柱面上即可得到我们的共形柱面超散射器。

图9和图10分别给出了R₀＝156和R₀＝95mm时共形柱面散射器的相位分布，可以看出不同设计频率f₀下单元所需相位不同，这是由光程色散引起，导致补偿相位随频率变化而变化。图11和图12给出了R₀＝156mm情形下柱面共形柔性超散射器的全波仿真结果，可以看出共形散射器在很宽的带宽范围内具有两个等幅对称的高定向散射波束，镜像散射几乎被完全压制，这对实现高效增强散射至关重要。从图12还可以看出，共形超散射器的波束偏折角度与理论值φ＝sin^-1(λ/Np)有偏差，在中心设计频率f₀处偏差最小，并随f₀变化而变化。这是由于f₀下设计的补偿相位原则上只能在f₀处完美纠正曲面散射器的相位误差，而在其它非f₀处由于光程的色散性使得补偿相位不能完美纠正曲率引起的相位差。因此偏离f₀越远，相位误差越大，导致镜像散射增强，偏折角误差越大。同时还可以看出，偏折角随频率降低而不断减小，这与理论结果和相同投影尺寸的平面超散射器得出的结论相反，这是由于我们只对曲率引起的相位误差进行了补偿，而并未对曲率引起的幅度误差进行修正。幅度误差(损失)在低频尤为突出，这是由于低频处柔性超表面更加电小，曲率更大，尤其是靠近边缘的超表面单元，几乎变成了平行入射。而随着工作频率的升高，曲率变小，当频率足够高时，曲率影响小到可以忽略时，曲面可以等效为平面，这时理论偏折角与仿真结果吻合的很好。

图13和图14给出了另外一组结构参数下共形柱面超散射器的仿真散射方向图。这里单元结构参数为l_x＝6,l_y＝7.5,l_x1＝4,l_y1＝4,w₁＝1,w₂＝0.5,h₁＝0.06and h₂＝4mm，工作于6～18GHz。从图13可以看出，超散射器具有相似散射行为，同样可以看到两个清晰的高定向波束，这与裸金属圆柱在圆周方向均一化的散射能量分布形成鲜明对比。同时，对于柱面共形超散射器，具有精确偏折角度的频率随f₀变化而变化；而对于平面散射器，理论与仿真计算偏折角吻合的非常好。同时还可以看出，当R₀由95mm增加到156mm时，散射波束变窄，这由阵因子的贡献引起。从图14可以看出，共形散射器的总能量与相同投影尺寸的平面金属板的散射能量非常接近，验证了柔性超表面的高效率和设计正确性，其根本物理在于共形散射器各单元柱面曲率引起的相位误差被得到有效纠正，恢复了完美线性梯度。

由于任意角度的线极化波可分解成两个等幅且旋向相反的圆极化波，因此本发明圆极化波激励下实现的超散射特性对线极化波激励同样有效，具有非常稳定的极化稳定性。

Claims (5)

1.一种柔性柱面共形超散射器，其特征在于，由超散射器元胞在z方向进行有限周期延拓而形成；所述超散射器元胞由加载于任意曲面平台的高效、宽带、极化不敏感柔性超表面，用于充当柔性超表面地板和起支撑作用的半径为R_o和高度为h的金属圆柱，以及用于拓展超表面工作带宽的泡沫圆环柱组成；其中，金属圆柱与泡沫圆环柱等高且泡沫圆环柱紧紧包裹在金属圆柱之上，泡沫圆环柱的厚度为h₂，柔性超表面厚度为h₁；柔性超表面自然伸展，紧紧包裹在泡沫圆环柱面上；所述柔性超表面由一系列结构相同的超表面单元沿圆柱面圆周方向排列组成，且在圆周方向上超表面单元依次旋转一定角度Φ，单元反射相位为几何贝尔相位，且满足所述超表面单元在圆周方向上呈现非周期分布；所述超表面单元周期为p，由底层金属地板、柔性介质板、空气层以及上层的耶路撒冷金属结构组成；将超散射器元胞在z方向即圆柱形的轴向有限周期延拓K个，即得到整个柱面共形超散射器，K≤10λ/p，p为单元周期，λ为工作波长。

2.根据权利要求1所述的柔性柱面共形超散射器，其特征在于，所述柔性超表面的相位关于超表面中心呈现轴对称分布，相位由基于广义Snell折射定律的线性梯度相位以及用于修正圆柱曲面曲率的补偿相位两部分组成，即这里i表示超表面单元序号，超表面中心i＝1，往两边逐渐增大；所述线性相位由M个相位梯度沿圆周周期重复且首尾顺序连接，呈折线分布，每个相位梯度由N个间隔为的离散相位组成，并满足和2*M*N*p≤πR_o；同时为保证双向奇异波束偏折，依次滞后，且满足：

这里，M和N由柱面超散射器的半径R₀决定；柱面上超表面单元位置P(i)和补偿相位为：

P(i)＝R_o arcsin((i-1)p/R_o)

这里，λ₀为设计工作频率f₀处的工作波长，同时为减小截断效应的影响，R₀和h应满足πR₀≥10λ，h≥8λ。

3.根据权利要求2所述的柔性柱面共形超散射器，其特征在于，所述耶路撒冷金属结构的超表面单元，其结构参数如下：l_x＝6，l_y＝7.5，l_x1＝3.8，l_y1＝2，w₁＝1，w₂＝0.5，h₁＝0.06和h₂＝4mm，这里，l_x和l_x1为耶路撒冷结构沿x方向上两个金属条的长度，l_y和l_y1为耶路撒冷结构沿y方向上两根金属条的长度，w₁为耶路撒冷结构中间两根金属条的宽度，w₂为耶路撒冷结构边缘四根金属条的宽度，h₁为介质板的厚度，h₂为空气泡沫板的厚度。

4.根据权利要求3所述的柔性柱面共形超散射器，其特征在于，所述超表面单元中的所有金属均为铜；所述柔性介质板的介电常数为ε_r＝3.4，厚度为0.06mm，电正切损耗tanσ＝0.001。

5.如权利要求1-4之一所述柔性柱面共形超散射器的曲面结构设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：根据功能设计平面超散射器的基本结构

首先，根据实现功能设计长度为L＝π*R_o和高度为h的平面超散射器，其工作原理是基于广义Snell折射/反射定律的波束偏折，因此超散射器的表面相位服从线性分布；为在水平面内产生两个对称高定向波束，关于超散射器中心呈轴对称分布，这里用i表示超表面单元序号，超表面中心i＝1，往两边逐渐增大，所述线性相位在水平面内由M个超表面单元周期重复且首尾顺序连接，呈折线分布，每个相位梯度由N个间隔为的离散相位组成并满足和2*M*N*p≤πR_o；同时为保证奇异波束对称偏折在两个相反方向上，依次滞后且满足M和N由柱面超散射器的半径R₀决定；

第二步：建立平面到曲面的一一映射，实现曲率补偿与相位修正

以第一步所述平面超散射器所在面为参考面，柱面与圆柱面等高且平行放置，将柱面投影到参考面，为保证柱面超表面单元在参考面上投影后满足能等间距p排列，柱面上超表面各单元的位置满足P(i)＝R_o arcsin((i-1)p/R_o)，为非周期排列；根据射线追踪法确定柱面各点与参考面之间的距离，计算光程差，并根据光程差确定补偿相位：

第三步：高效、宽带、极化不敏感柔性超表面散射器设计

根据第一步和第二步确定的和确定所述柔性超表面的相位分布其相位即广义Snell折射定律要求的线性相位以及用于修正柱面曲率的补偿相位

确定相位分布后，要考虑如何提高柱面超散射器的工作带宽、工作效率以及极化不敏感性；首要问题是设计具有宽频工作以及极化不敏感特性的超表面单元，其基本理论依据是超表面的群集响应由单元的宽带、极化不敏感特性决定；为使超散射器在任意极化下均能工作，从而提高功能的极化稳定性，采用几何贝尔相位(PB)来实现柔性超表面的相位分布；同时为获得高效工作，单元在x、y正交极化下的相位响应和满足相位差且单元反射幅度r_xx和r_yy均接近1，该情形下携带PB相位信息的圆极化分量达到最大，而其它反射分量被压制到最小，接近于零；为实现宽频工作，采用色散工程方法使和的斜率在很宽的带宽范围内保持平行，数学上通过在几个关键特殊频率处满足来保证，具体通过调节耶路撒冷结构的6根金属条长度来调谐；

根据上述分析，选择单层耶路撒冷反射结构作为实现柔性超表面散射器的基本单元，整个单元由上层耶路撒冷金属结构、空气层、柔性介质板和底层金属地板组成；通过上层金属结构和地板的耦合提供谐振于不同频率的多个磁谐振模式，打开单元在边缘频率处的相位，提高单元相位响应的线性度，同时增加一层接近于空气介电常数的泡沫板来降低单元的品质因数，提高反射幅度和均一性，利用多模级联思想和增加空气层厚度最终拓展的带宽；最后根据相位分布和单元结构参数，通过旋转耶路撒冷结构并通过寻根算法，在CST中利用VBA宏建立柔性超散射器拓扑结构。