CN108957429A

CN108957429A - 一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构及超宽带雷达

Info

Publication number: CN108957429A
Application number: CN201810569890.6A
Authority: CN
Inventors: 苏建勋; 李增瑞; 张晨阳
Original assignee: Communication University of China
Current assignee: Communication University of China
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2038-06-05
Also published as: CN108957429B

Abstract

本发明提出一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构及具有该结构的超宽带雷达。所述棋盘结构由金属地板，固定于所述金属地板上的M×N个有限非周期瓦片单元构成；所述有限非周期瓦片单元包括电介质板以及设置在所述介质板上的金属贴片；所述金属贴片包括呈阵列式排布的金属环贴片。

Description

一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构及超宽带雷达

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术的RCS减缩领域，具体涉及一种基于多元相位相消物理机制的超宽带RCS减缩棋盘结构及使用该结构的超宽带雷达。

背景技术

超材料和超表面是为了人工控制电磁和声波而设计的人工结构，拥有一些特殊的物理性质。这些特性导致了一些有趣的现象，如负折射率，亚波长成像，场增强，和反常的隧道效应等。在过去的几年里，基于这些特性的新型设备，如超薄的透视镜，隐形斗篷，等离子体波导和偏振转换器，已经被制造和测试。超表面的一个潜在应用是减缩金属物体的散射场。

有效地降低目标的雷达散射截面(RCS)是具有挑战性的。在电磁环境下，通常采用四种方法来降低目标的RCS：

第一种方法是应用雷达吸波材料(RAM)将电磁能量转化为热能。然而，大多数RAM通常工作在谐振频率附近，窄的工作带宽限制了它的应用。

第二种方法是改变目标的外观，以减少沿辐射源方向的散射场，但这可能破坏气动布局并增加形状设计的复杂性。

第三种方法是利用变换电磁学和光学。电磁波在目标表面传播，后向散射场受到抑制。

第四种方法是相反相位相消(OPC)。作为一种有效的矢量场抑制方法，它在电磁学、光学、声学等领域得到了广泛的应用。相反相位相消(OPC)是一种实现RCS减缩的传统方法。其基本思想是利用反射系数之间的180°相位差产生相消效应。由于入射波的频率和方向在实际中是不可预测的，所以带宽和斜入射性能是超表面隐身技术的两个重要因素。相反相位相消(OPC)和编码超材料相比，优点是更基本单元间的可变相位差大大增加了调控电磁波的能力，实现反射波在超宽带上相抵消。

以前的研究主要集中在固定相位差约为180°的单元的设计上，用于相反相位相消或编码超材料。然而，用这种机制扩展RCS减缩的带宽是非常困难的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构及超宽带雷达。该结构基于多元相位相消物理机制，可实现超宽带RCS的减缩，打破相反相位相消和编码超材料的带宽限制，大大扩展RCS减缩的工作带宽。

本发明的一个方面，提供一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构，所述棋盘结构由金属地板，固定于所述金属地板上的M×N个有限非周期瓦片单元构成；所述有限非周期瓦片单元包括电介质板以及设置在所述介质板上的金属贴片；所述金属贴片包括阵列式排布的金属环贴片。

进一步地，通过设置所述有限非周期瓦片单元中的所述电介质板的厚度参数；和/或，所述金属环贴片的尺寸参数；以抑制入射到所述棋盘结构表面电磁波的后向散射。

进一步地，当平面波入射到所述棋盘结构上时，M×N个有限非周期瓦片单元产生的M×N个反射波产生多元相位相消，从而缩减雷达散射截面。

进一步地，所述电介质板通过固定栓固定于所述金属地板上。

进一步地，所述有限非周期瓦片单元的宽度为D,金属环贴片的宽度为ω，ω≤D/P²,所述金属环贴片选自如下尺寸之一：第1尺寸S₁，满足D/P-2ω＜S₁≤D/P-ω；第2尺寸S₂，满足D/P-3ω＜S₂≤D/P-2ω；第3尺寸S₃，满足D/P-4ω＜S₃≤D/P-3ω；……；第P-2尺寸S_P-2，满足D/P-(P-1)ω＜S_P-2≤D/P-(P-2)ω。

进一步地，所述M×N个有限非周期结构单元为4×4个。

进一步地，所述阵列式排布的金属环贴片为7×7矩阵形式排布的金属方环。

进一步地，所述电介质板是聚四氟乙烯玻璃衬底，介电常数为ε_r＝2.65，损耗角正切值为0.001。

进一步地，所述棋盘结构在5.4GHz到33.0GHz的超宽频段上，可实现10dB以上的RCS减缩。

本发明的另一方面，提供一种超宽带雷达，所述超宽带雷达包含前述的雷达散射截面减缩棋盘结构。

本发明具有如下有益效果：本发明的研究主要集中在新的相位相消方法的发展。通过调整所设计的基本单元的方环的外边长和介质层厚度，在超宽带上实现了对电磁波的调控。利用场叠加原理和粒子群优化算法对基本单元的几何参数进行优化。当优化迭代完成后，我们得到了在一组基本单元的参数优化结果，在期望的超宽频带中，得到最低的反向RCS值。其次要在超宽频带内找到最佳的单元排布布局，使构成的超表面具有最低的双站RCS值。计算机随机生成伪随机矩阵，根据矩阵进行单元排布实现电磁波的散射，从而有效地降低双站RCS。为了制造方便，将构成超表面的相同厚度的瓦片放在一起加工。在完成随机分布后，选择一个最优单元排布布局来建立RCS减缩模型，以在超宽频带内实现良好的RCS减缩效果。

本发明首次提出一种新的基于多元相位相消物理机制的，可实现超宽带RCS减缩的棋盘结构超表面。基本单元的相位控制是任意的，它们之间的可变相位差极大地在提高了超表面实现超宽带相位相消的能力。此结构在超宽频带内可实现良好的相位相消。将本发明与以往研究作比较，显然，本发明提出的超表面在RCS减缩的带宽扩展方面具有压倒性优势。总体而言，本发明提出了一种多元相位相消的方法，使用这种方法得到的超表面实现了对RCS减缩带宽的最大化。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1(a)为本发明实施例提供的平面波垂直入射到单元数为M×N个超表面上时散射波示意图；

图1(b)为本发明实施例提供的M×N个散射波叠加的远场合成波形；

图2(a)为本发明实施例提供的方环单元的几何结构示意图；

图2(b)为本发明实施例提供的介质层厚度为2毫米、方环的边长L变化时基本单元的反射相位曲线图；

图2(c)为本发明实施例提供的介质层厚度为4毫米、方环的边长L变化时基本单元的反射相位曲线图；

图2(d)为本发明实施例提供的介质层厚度分别为6毫米、方环的边长L变化时基本单元的反射相位曲线图；

图3为本发明中通过几何参数调整来控制超宽带RCS的操作原理图；

图4(a)为本发明实施例提供的预测的单站RCS减缩值结果示意图；

图4(b)为本发明实施例提供的16个基本单元的反射相位曲线图；

图5为本发明实施例提供的评估双站散射特性品质因数(FMB)的随机过程；

图6为本发明实施例提供的优化后的RCS减缩超表面的模型；

图7为本发明实施例提供的仿真中x极化和y极化条件下RCS减缩值随频率变化的曲线图；

图8(a)-(f)为本发明实施例提供的在垂直入射条件下，6GHz、12GHz和24GHz三个频点上，所提出的结构与等尺寸PEC表面的双站散射方向图比较图；

图9为本发明实施例提供的中电场(TE)和磁场(TM)极化斜入射条件下镜面方向的RCS减缩值随频率变化的曲线图；

图10(a)为本发明实施例提供的加工制造的超表面的实物图照片；

图10(b)为本发明实施例提供的平面波垂直入射条件下RCS减缩的测量结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本发明的一个实施例中，如图1(a)，1(b)所示，给出了多元相位相消物理机制示意图。当平面波入射到M×N个晶格组成的超材料表面时，呈矩阵阵列排布的表面会产生M×N个反射波，M×N个反射波的反射系数幅度及相位各不相同，反射波在空间中叠加，实现相消干涉，每个晶格产生的反射波的反射系数都是任意的。基于该原理，可实现超宽带RCS减缩的棋盘结构超表面。通过调整方环的边长和介质层厚度，可以实现对多电磁波的超宽带调控。利用场叠加原理和粒子群优化算法对基本粒子的几何参数进行优化和确定，以在超宽频带内实现良好的RCS减缩。在平面波宽角度斜入射下，该超表面也有优良性能。分析、仿真和测量结果表明，该物理机制大大扩展了RCS减缩带宽。

在本发明的一个实施例中，如图2(a)至(d)所示，提出一种基于多元相位相消物理机制的、可实现超宽带RCS减缩的棋盘结构超表面的实施方案。

在图2(a)给出了所设计基本单元的几何结构，及其反射相位性质。图2(a)中，为了满足其反射相位特性选取方环贴片作为超表面的基本单元。

在一个可选的实施例中，方环单元的几何结构尺寸是：a＝8，w＝0.4，h＝2,4,6毫米。

图2(b)至图2(d)示出了介质层厚度为2毫米、4和6毫米时，方环边长L变化，基本单元的反射相位曲线图。在超宽频带内，反射相位随边长变化的范围足够大。用CST微波工作室的频域求解器(有限元法)对基本元粒子进行了仿真。选择周期性边界条件(PBC)，以产生无限的结构并获得其反射系数。在这个仿真中，基本单元的方环边长L从1.2毫米到7.6毫米变化，步长为0.02毫米，而选择的介质层厚度有三个：2毫米，4毫米，6毫米。单元的周期a和方环的宽度w是固定的。

一部分反射相位曲线在图2(b)-(d)中显示。可见，在5～28GHz频率范围内，通过调节方环边长和介质层厚度，有效相位覆盖率大于250°，这种相位特性保证了在超宽带上调控电磁波的可能性。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，给出了本研究中通过几何参数调整来控制RCS的超宽带操作原理图。

RCS减缩超表面由4×4个瓦片构成。每个瓦片都是基本单元的子数组，即基本单元的数目是p＝16。已知基本单元的几何参数，可以有效地调控超宽频带中的电磁波。

在本发明的一个实施例中，如图4(a)所示，给出了预测的RCS减缩值。在从5.08到27.74GHz的超宽频带中，RCS减缩大于10dB。其相应的反射相位曲线图如图4(b)所示。对于不同的频率，基本的单元有不同的反射相位响应，但它们总能满足10dB RCS减缩的相位相消条件。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，显示了FMB值与分布指数的关系。该超表面由这16个基本单元组成。在超宽频带内找到具有最低双站RCS的最佳粒子排布布局。计算机随机生成伪随机矩阵，根据矩阵进行单元排布实现电磁波的散射，从而有效地降低双站RCS。为了制造方便，将构成超表面的相同厚度的瓦片放在一起加工。在完成500次迭代后，选择一个具有最小FMB的最优单元排布布局来建立RCS减缩模型。对于最优分布，从5到28GHz的双站RCS的平均值为7dB。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，提出基于多元相位相消物理机制的超宽带RCS减缩棋盘结构，所述棋盘结构由金属地板，固定于所述金属地板上的M×N个有限非周期瓦片单元构成；有限非周期瓦片单元包括电介质板以及设置在所述介质板上的金属贴片；所述金属贴片包括阵列式排布的金属环贴片。

在一个可选的实施例中，M×N个有限非周期瓦片单元为4×4个随机分布的有限非周期瓦片单元，这16个基本的单元的优化分布和完整的超表面结构。为了满足周期性边界条件(PBC),每个瓦片由7×7单元构成。

在一个可选的实施例中，所述有限非周期瓦片单元的宽度为D,金属环贴片的宽度为ω，ω≤D/P²,所述金属环贴片选自如下尺寸之一：第1尺寸S₁，满足D/P-2ω＜S₁≤D/P-ω；第2尺寸S₂，满足D/P-3ω＜S₂≤D/P-2ω；第3尺寸S₃，满足D/P-4ω＜S₃≤D/P-3ω；……；第P-2尺寸S_P-2，满足D/P-(P-1)ω＜S_P-2≤D/P-(P-2)ω。

作为一个优选的实施例，图6中的4×4个随机分布的有限非周期瓦片单元中，的每个上具有不同尺寸的7×7个金属方环。

在一个可选的实施例中，电介质板通过固定栓固定于所述金属地板上。作为一个优选的实施例，固定栓的位置是在7×7个金属方环的正中央位置。

在本发明的一个实施例中，如图7所示，用CST微波工作室的时域求解器对超表面进行全波仿真。平面波垂直入射，该超表面的RCS值用一个相同大小的金属表面进行归一化。该超表面在5.4到33.0GHz的超宽频段上，可以实现10dB RCS减缩，其比率带宽为6.11:1。多元相位相消的物理机制已经显示出极大地扩展RCS减缩带宽的优势。

在本发明的一个实施例中，如图8(a)-8(f)所示，平面波垂直入射条件下，6GHz、12GHz和24GHz三个频点上，所提出的超表面与等尺寸的PEC表面之间的双站方向图比较。其中8(a)-8(c)为大小相等的PEC表面。8(d)-8(f)为所提出的超表面。与大小相同的金属表面相比，该超表面的反射波被重定向到更多的方向，有效抑制了后向散射场。

在本发明的一个实施例中，如9所示，提供了横向-电(TE)和横向-磁(TM)极化的斜入射波下超表面的散射特性。在宽角度斜入射条件下，从5.5到40GHz都有显著的RCS减缩。仿真结果表明，在宽角度斜入射情况下超表面也有显著RCS减缩的优良性能。

在本发明的一个实施例中，如10(a),10(b)所示，为了验证所提出的超表面的预测性能，我们加工并测量了一个模型的样本。样品不同厚层的三片面板分别单独处理，然后用聚四氟乙烯TM螺栓固定在金属地面上。电介质板是聚四氟乙烯玻璃衬底，介电常数为εr＝2.65(损耗角正切值为0.001)。金属部分是0.035毫米厚的铜层。聚四氟乙烯螺栓直径为3毫米，介电常数为2.1。

图10(a)示出了所制作的样本的实物图照片。在电磁散射实验室中对超表面样本进行高精度的RCS测量。同时也测量了等尺寸铜面作为参考。图10(b)显示了在垂直入射情况下RCS减缩随频率变化的测量结果。该超表面在5.4到40GHz的超宽频段上可以实现8dB以上的RCS减缩,不管是x极化还是y极化，其比率带宽都为7.4:1。RCS的减缩大于10dB的频带为从5.5到32.3GHz，比率带宽为5.87:1。我们注意到，测量结果与图7所示的仿真结果吻合得很好。RCS减缩值偏差可以归因于制造误差和测量误差。

根据图9和图10(a)，10(b)所提供的实施例可知，测量结果与仿真结果吻合得很好。本发明提出了一种基于多元相位相消的物理机制，实现了RCS减缩带宽的最大化，在RCS减缩带宽的扩展方面具有压倒性优势。

综上所述，本发明提出的多波相消干涉的物理机制的应用，很好地解决了带宽受限的问题。基于多波相消干涉物理机制，通过改变基本单元的介质厚度和方环宽度，得到16种不同的基本单元来构成超材料，这种超材料可以实现在超宽带上对电磁波进行调控。本发明中采用了不同的物理机制和设计思路实现了一种超宽带RCS减缩超材料。与现有设计的区别主要是，本发明基于多波相消干涉机制，采用了16种不同的有限非周期基本单元，通过阵列综合理论及粒子群优化算法对16种基本单元进行随机排布，实现6.76倍频的10dBRCS减缩，极大地拓展了工作带宽。

应当理解的是，在本实施例中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构，其特征在于，所述棋盘结构由金属地板，固定于所述金属地板上的M×N个有限非周期瓦片单元构成；

所述有限非周期瓦片单元包括电介质板以及设置在所述介质板上的金属贴片；所述金属贴片包括呈阵列式排布的金属环贴片。

2.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，通过设置所述有限非周期瓦片单元中的所述电介质板的厚度参数；

和/或，所述金属环贴片的尺寸参数；

以抑制入射到所述棋盘结构表面电磁波的后向散射。

3.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，当平面波入射到所述棋盘结构上时，M×N个有限非周期瓦片单元产生的M×N个反射波产生多元相位相消，从而缩减雷达散射截面。

4.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，所述电介质板通过固定栓固定于所述金属地板上。

5.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，所述有限非周期瓦片单元的宽度为D,金属环贴片的宽度为ω，ω≤D/P²,所述金属环贴片选自如下尺寸之一：

第1尺寸S₁，满足D/P-2ω＜S₁≤D/P-ω；

第2尺寸S₂，满足D/P-3ω＜S₂≤D/P-2ω；

第3尺寸S₃，满足D/P-4ω＜S₃≤D/P-3ω；

……

第P-2尺寸S_P-2，满足D/P-(P-1)ω＜S_P-2≤D/P-(P-2)ω。

6.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，所述M×N个有限非周期结构单元为4×4个。

7.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，所述阵列式排布的金属环贴片为7×7矩阵形式排布的金属方环。

8.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，所述电介质板是聚四氟乙烯玻璃衬底，介电常数为ε_r＝2.65，损耗角正切值为0.001。

9.根据权利要求1所述的棋盘结构，其特征在于，所述棋盘结构在5.4GHz到33.0GHz的超宽频段上，可实现10dB以上的RCS减缩。

10.一种超宽带雷达，其特征在于，所述超宽带雷达包含权利要求1-9之一所述的雷达散射截面减缩棋盘结构。