CN109560389A - 基于新型散射对消方法的宽带rcs减缩超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面。所述宽带RCS减缩超表面由均匀排布的类“工”型表面金属贴片结构、中间介质基板以及底层金属层组成；类“工”型金属贴片的上下臂为弧形，上下臂形成带两个缺口的圆或椭圆形，上下臂中间有连接杆连接，类“工”型金属贴片的连接杆具有两种角度，并将这两种连接杆(旋转)角度的类“工”型金属贴片均匀排布单元按照扇形间隔排布的方式形成RCS减缩超表面。

Description

基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面
技术领域
本发明属于超材料领域，尤其涉及一种基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面。
背景技术
雷达散射截面，英文简写为RCS，在一定程度上代表了现代武器系统对雷达探测体系的隐身性能。而随着现代战争的不断发展，隐身性能已经成为衡量现代武器系统生存能力的关键指标。目前而言，利用超材料来实现RCS减缩以达到电磁隐身的方法主要有电磁吸波与漫散射两种方法。对于电磁吸波方法来说，其原理是将照射的电磁能转化为内能耗散掉从而降低RCS，但此方法缺点是设备设计复杂且器件结构笨重，不利用与武器系统集成。对于漫散射的方法，其原理就是将照射的电磁波发散到其他方向从而有效降低背向RCS。这种漫散射的方法在一个极薄的二维平面上就可实现，比起电磁吸波，该方法大大降低了器件的复杂性，更易于武器系统集成。
传统上的漫散射方法主要有随机漫散射与散射对消两种。随机漫散射主要模拟粗糙面的漫散射来实现单双站RCS的缩减。其特点在于，相较于同等面积的金属板，其可以实现单双站RCS的减缩，但这种方法具有随机性，不可控，无法预测最强散射方向。而散射对消则往往是将反射相位差180度的两种单元按照棋盘格式的相位分布来排布，最终实现背向RCS的缩减，也就是单站RCS的缩减。其特点在于最强散射方向可控，但其双站RCS从理论上而言相对于同等面积尺寸的金属板至多只有6dB的缩减量。综上，随机漫散射方法的单双站RCS减缩幅度较为理想，但散射波束不可控，最大散射方向不可知；散射对消方法的散射波束虽然可控，但其双站RCS减缩量不理想，理论上最大仅仅可实现6dB的减缩。因此，有必要探索一种新的方法有效结合这两种方法的优势，在实现单双站RCS都大幅降低的同时，保持散射波束可控。同时，出于现实需求，同样需要保持宽带设计。
发明内容
本发明目的在于，提供一种基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，设计出散射波束可控的RCS减缩超表面，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，所述宽带RCS减缩超表面由均匀排布的类“工”型表面金属贴片结构、中间介质基板以及底层金属层组成；类“工”型金属贴片的上下臂为弧形，上下臂形成带两个缺口的圆或椭圆形，上下臂中间有连接杆连接，类“工”型金属贴片的连接杆具有两种角度，并将这两种连接杆(旋转)角度的类“工”型金属贴片均匀排布单元按照扇形间隔排布的方式形成RCS减缩超表面。
中间连接杆具有两种角度是指两种中间连接杆互相垂直。
由12个至16个相同面积的扇形排布成一个圆形(或多边形)。
通过为类“工”型金属贴片结构设置不同的旋转角(体现在中间连接杆具有两种角度)来对交叉极化反射波产生180度的相位差。
在一些实施例中，该型基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其在二维表面上对交叉极化反射波的相位呈现扇形间隔分布方式。
在一些实施例中，所述的类“工”型金属贴片结构，通过为类“工”型金属贴片结构设置不同的旋转角实现对交叉极化反射波180度相位差的调制。
在一些实施例中，所述的类“工”型金属贴片结构，“工”型上下臂宽d1＝0.4mm，连接杆宽d＝0.2mm，“工”型上下臂的弧为圆弧，弧的圆心角“工”型圆弧圆心角的圆内半径r＝1.6mm。
在一些实施例中，所述的介质基板，相对介电常数范围为2-5，相对磁导率为1。本发明提供的RCS减缩超表面包含准周期排布的类“工”型金属贴片结构，中间介质层以及底层金属层。所述的准周期排布的类“工”型金属贴片结构是由不同旋转角的两种类“工”型单元按照扇形间隔分布的方式排布.
有益效果：设计的基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面能够在10.5-21.5GHz范围内实现背向RCS至少10dB的减缩，同时在10.5-21.5GHz范围内实现双站RCS平均12dB的减缩，此外，最大散射波束指向具有可控的特性。本发明涉及的RCS减缩超表面具有单双站RCS同时减缩且散射波束可控的特性。基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面的带宽宽、单双站RCS减缩量大、散射波束可控，且其为单层平面结构、易于加工、成本低，具有较好的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面的顶视图；
图2为超表面的单元视图，其中图2(a)为单元顶视图，图2(b)为单元的自由视图；
图3(a)与图3(b)分别单元的交叉极化反射率与交叉极化反射相移。
图4为RCS减缩超表面上的相位分布，其中黑色块与白色块相位差180°。
图5为散射场图，其中图5(a)为圆形金属板的散射场图；图5(b)为RCS减缩超表面的散射场图。
图6为RCS减缩超表面相较于同等尺寸的金属板的后向RCS减缩曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1所示，设计的基于新型散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，包括准周期排布的类“工”型金属贴片结构、中间介质基板以及底层金属层。从图中可以看出，该型RCS减缩超表面是由一种类“工”型金属贴片按照一定的周期排布。将一个周期内的结构视为一个单元，具体如图2所示。其中图2(a)为单元的顶视图，图2(b)为单元的自由视图，单元周期p＝5mm，介质层厚度h＝2.5mm，金属层厚度为0.036mm。类“工”型金属贴片结构的具体尺寸为“工”型臂宽d1＝0.4mm，连接杆宽d＝0.2mm，“工”型弧张角“工”型弧内半径r＝1.6mm，“工”型结构的旋转角θ＝45°。这里通过设置不同色旋转角θ来产生不同的反射相移。如图3所示，图3(a)为θ＝45°与θ＝-45°的交叉极化反射率，可以看出在10.5–22GHz范围内交叉极化反射率均在0.9以上；图3(b)为交叉极化反射波的相移，可以看出在10.5–22GHz范围内交叉极化波反射相移始终保持180度相位差。总结图3可知，通过为类“工”型结构设置不同的旋转角，我们可在10.5–22GHz范围内获得较高的交叉极化反射率且交叉极化反射相移相差180度，具备相位调节的能力。
基于这两种相位差180度的单元，将其按照图4所示的相位分布来排布，也就是将θ＝45°单元置于白色块区域，将θ＝-45°的单元置于深灰色区域，最终形成了图1所示的RCS减缩超表面。将该型RCS减缩超表面进行试验仿真，图5(a)与图5(b)分别给出了15GHz时同等尺寸金属板与RCS减缩超表面的散射场图。可以看出金属板的背向RCS值达到了17.2dB，而RCS减缩超表面则较好地将照射的平面波均匀地发散到12个方向去，因此其理论上的双站RCS减缩值应至少为金属板后向RCS的十二分之一，也就是说该型RCS减缩超表面的双站RCS相较于同等尺寸的金属板始终减缩10.8dB左右。除此之外，从图5(b)可以看出，散射波束的波束指向均位于扇形中心方向，且所有波束偏离中心法向的角度是一致的，实现了散射波束可控的目标。而为研究该型RCS减缩超表面的单站RCS特性，图6给出了该型RCS散射截面相较于同等尺寸的金属板的后向RCS减缩值，可以看出，其在10.5-21.5GHz范围内均实现了10dB以上的RCS减缩。综合图5、图6可知，本发明提供的RCS减缩超表面实现了10.5-21.5GHz范围内单双站RCS同时减缩10dB以上的目标，同时也实现了散射波束可控，有效解决了背景技术中提到的技术难题。

Claims (7)

1.一种基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其特征在于，所述宽带RCS减缩超表面由均匀排布的类“工”型表面金属贴片结构、中间介质基板以及底层金属层组成；类“工”型金属贴片的上下臂为弧形，上下臂形成带两个缺口的圆或椭圆形，上下臂中间有连接杆连接，类“工”型金属贴片的连接杆具有两种角度，并将这两种连接杆(旋转)角度的类“工”型金属贴片均匀排布单元按照扇形间隔排布的方式形成RCS减缩超表面。
2.根据权利要求1所述的基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其特征在于，中间连接杆具有两种角度是指两种中间连接杆互相垂直。
3.根据权利要求1所述的基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其特征在于，由12个至16个的扇形排布成一个圆形或多边形。
4.根据权利要求1所述的基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其特征在于，在二维表面上对交叉极化反射波的相位呈现相同面积的扇形间隔分布方式。
5.根据权利要求1所述的基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其特征在于，所述的类“工”型金属贴片结构，通过为类“工”型金属贴片结构设置不同的旋转角实现对交叉极化反射波180度相位差的调制。
6.根据权利要求1所述的基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其特征在于，所述的类“工”型金属贴片结构，“工”型上下臂宽d1＝0.4mm，连接杆宽d＝0.2mm，“工”型上下臂的弧为圆弧，弧的圆心角“工”型圆弧圆心角的圆内半径r＝1.6mm。
7.根据权利要求1所述的基于散射对消方法的宽带RCS减缩超表面，其特征在于，所述的介质基板，相对介电常数范围为2-5，相对磁导率为1。
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