CN109904623A - 一种宽带吸波、散射可调超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带吸波、散射可调超表面，该超表面由相同单元周期排列组成，所述单元由上层金属结构、有源器件、中层介质及下层金属背板构成。所述PIN二极管焊接于上层金属结构相应位置；上层金属结构位于中层介质上方；中层介质位于下层金属背板上方。通过改变超表面PIN二极管的偏置电压，能够实现吸波模式和散射模式切换。吸波模式：8GHz‑10GHz频带内超表面垂直反射率动态可调；散射模式：8GHz‑10GHz频带内单元PIN二极管“导通”\“断开”两种工作状态反射相位差180°±20°，反射幅度差小于1dB，通过FPGA控制系统对超表面输入不同电磁编码实现散射方向图动态调控；设计的超表面结构简单、工艺成熟、能耗低、在军事及民用领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于雷达隐身和新型人工电磁材料领域，尤其涉及一种宽频带吸波、散射可调的超表面。
背景技术
针对雷达波探测的“主动”伪装隐身技术是传统伪装隐身技术的进一步发展，即通过人工手段有目的的动态控制或降低目标的雷达特征信号，使其难以被发现、识别和攻击。隐身技术是各国都非常重视的前沿课题，与国家的国防实力紧密相连。为了削弱敌方雷达的侦查能力，大力发展对军事目标、重要民用目标的电磁隐身和伪装技术，特别是针对复杂背景环境的新型雷达波隐身和伪装技术，已成为了当前的研究热点和难点技术。
正在快速发展的电磁超材料通过设计亚波长的单元结构及其空间排布方式，能够灵活有效地调控电磁波，其与低剖面的微波介质板及二极管开关等有源器件相结合，可以衍生出一系列新型的有源电磁超表面隐身材料。这一类智能隐身材料具有厚度薄、RCS缩减可动态调节、散射特征可控、响应速度快、方向图灵活可控等诸多优点，并且重量较小、外形紧凑、易于集成、易于共形、制作成本较低，因此具有成为新一代智能隐身材料的重大潜力。
有源超表面隐身技术经过不断发展，取得了一系列重要的研究成果。然而现有的有源超表面隐身技术仅通过对入射电磁波进行吸收损耗或散射波束调控中的一种方式达到隐身目的，调控手段单一且带宽不足，不仅难以应对日益复杂的电子对抗环境，而且不利于与新型通信系统、数字信号系统等结合，形成一体化电子对抗体系。因此，如何将电磁吸收和电磁散射功能良好结合并实现宽频带调控是亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出了一种宽频带吸波、散射可调的超表面，其可以增强武器装备面对典型环境的主动伪装性能，并且能够实现不同功能实时动态切换。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种宽带吸波、散射可调超表面，由结构尺寸相同的单元在x和y二维方向上以单元边长为周期排列组成。所述单元包括上层金属结构(1-1)和(1-2)、中层介质(2)、PIN二极管(3)及下层金属背板(4)。所述上层金属结构(1-1)和(1-2)位于中层介质基板(2)上方；所述中层介质基板(2)位于下层金属背板(4)上方；所述PIN二极管(3)的正负极分别焊接于上层金属结构(1-1)和(1-2)之间的间隔两侧中心位置。所述超表面能够在宽频带内根据所述单元的排列规律和工作状态来设计和控制超表面的电磁编码状态，实现散射波束动态调控效果。通过改变超表面单元中PIN二极管(3)的偏置状态，能够实现超表面垂直反射率实时动态可调，进而实现超表面后向雷达散射截面(RCS)动态调控，或者在宽频带内通过改变所述单元的PIN二极管(3)的偏置状态，实现吸波、散射调控功能实时切换。
优选的，所述周期排布的单元结构是通过印刷电路板工艺制成。
优选的，所述上层金属结构(1-1)为T字型结构，由矩形结构(i)和矩形结构(j)一体化构成，结构(j)位于结构(i)中间位置，(1-1)和(1-2)形状尺寸相同，在x方向镜像对称放置。阵列中每一列的单元通过金属结构(1-1)和(1-2)相互连接，从而每一列中的所有单元共用同一个直流偏置，进而能够对整体阵列以列为单位进行控制。阵列中每一列第一个单元的金属结构(1-1)和(1-2)分别与直流馈线的正负极连接，形成直流回路，进而在超表面工作期间通过直流馈线施加直流偏置以控制该列的PIN二极管的工作状态。
优选的，所述下层金属背板为正方形结构。
优选的，所述中层介质基板层材料为F4B。
优选的，所述超表面由在宽频带内两种工作状态，即PIN二极管“导通”\“断开”，反射相位差180°±20°，反射幅度差小于1dB的单元按一定规律排列构成。
优选的，令单元长度为p，令中层介质的厚度为h，令上层T字型金属结构(1-1)中矩形结构(i)的长为p，宽为b，令上层T字型属结构(1-1)中矩形结构(j)的长为c，宽为d，令金属结构(1-1)和(1-2)的距离即左右两个镜像对称的T字型金属结构之间的间隔宽度为g，令上层金属结构(1-1)距单元边缘距离为a。上述参数取值可以如下：p＝10.0mm，h＝4.0mm，a＝2.0mm，b＝2.3mm，c＝3.0mm，d＝0.55mm，g＝0.3mm。实际工作中可以根据实际需要自行设置上述参数的值。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明提供了一种宽带吸波、散射可调超表面，结构简单，加工工艺成熟，能耗低；本发明同时对雷达波具有宽频带吸波及散射特征动态调节功能，可以实现宽频带单元两种状态，即PIN二极管“导通”\“断开”，反射相位差180°±20°，反射幅度差小于1dB，通过控制超表面不同位置PIN二极管的开关状态，能够实现超表面散射方向图实时动态调控；通过控制超表面整体PIN二极管的偏置状态，能够实现宽频带内超表面垂直反射率实时动态可调，进而实现其后向雷达散射截面(RCS)动态调控，且响应时间小于1s，设计的超表面从幅度、相位两个角度对电磁波进行多样化调节，能够与数字信号处理，新型通信系统等结合，在军事及民用领域具有极高的应用价值。
附图说明
图1是1比特超表面的模型示意图，超表面由边长为P的N*N个栅格组成，每个栅格由代表同一编码的超表面单元构成；
图2(a)(b)(c)分别是宽带吸波、散射可调超表面的单元整体示意图、俯视图和侧视图；
图3是宽带吸波、散射可调超表面单元两种编码状态(PIN管“导通”\“断开”)反射幅度与反射相位随频率变化仿真结果图；
图4是宽带吸波、散射可调超表面不同编码状态散射波束调控仿真结果图；
图5是宽带吸波、散射可调超表面单元不同偏置状态下反射幅度随频率变化仿真结果图；
图6是宽带吸波、散射可调超表面样件实物图；
图7是宽带吸波、散射可调超表面单元在PIN管“导通”\“断开”的两种编码状态反射幅度与反射相位随频率变化测试结果图；
图8是宽带吸波、散射可调超表面不同编码状态散射波束调控测试结果图；
图9是宽带吸波、散射可调超表面样件不同偏置状态下后向RCS缩减值随频率变化实测结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是设计的1比特电磁编码超表面的模型示意图，超表面阵列由边长为p的N*N个栅格组成，每个栅格由代表同一编码的超表面单元构成。与传统等效媒质超材料通过设计材料的介电常数、磁导率分布从而实现特定功能不同，编码超表面(以1比特编码超表面为例)选用幅度相等或接近，相位差接近180°的两种基本单元，可用二进制数“0”和“1”来表征，通过将“0”单元和“1”单元按照一定规律排列组阵构成，从而实现特定的功能。实际设计中只要改变超表面“0”\“1”单元的排列方式，即改变0\1编码次序，就能实现不同的电磁调控功能。
宽带吸波、散射可调超表面单元结构如图2所示。上层金属结构由T字型结构(1-1)和(1-2)在x方向镜像对称放置组成，金属结构印刷于相对介电常数2.65，损耗角正切值0.001，厚度为4mm的F4B介质板的上表面，金属结构材料为铜，表面沉金处理，防止氧化，金属结构厚度为0.035mm，T字型金属结构(1-1)和(1-2)之间通过PIN二极管(SMP 1320-040LF)连接。阵列中每一列的单元通过T字型金属结构(1-1)和(1-2)相互连接，从而每一列中的所有单元共用同一个直流偏置，进而能够对整体阵列以列为单位进行控制。阵列中每一列第一个单元的金属结构(1-1)和(1-2)分别与直流馈线的正负极连接，形成直流回路，进而在超表面工作期间通过直流馈线施加直流偏置以控制该列的PIN二极管的工作状态。此外，金属背板印刷于介质层下表面以防止电磁波透射。
当二极管偏置电流1mA时，二极管为导通状态；当二极管偏置电流0mA时，二极管为断开状态。PIN二极管不同工作状态下单元幅度和相位响应随频率变化仿真结果如图3所示：该超表面单元在8GHz-10GHz频率范围内两种状态，即PIN管“导通”\“断开”，反射相位差在160°至190°范围内。与此同时，该超表面单元在8GHz-10GHz频率范围内，PIN二极管“导通”\“断开”两种状态反射幅度均大于-1.5dB，且反射幅度差保持小于1dB。由仿真结果可以得出结论：该超表面单元在宽频带内具有良好的相位特性和幅度特性，满足1比特超表面单元设计要求，具备良好的电磁波散射特性调控能力。通过电磁编码逆向算法和优化算法优化超表面阵列编码，能够实现不同的散射波束调控效果。为了验证超表面波束调控效果，为超表面阵列输入000000/111111和010101编码序，0代表超表面单元PIN二极管断开状态，1代表超表面单元PIN二极管导通状态，阵列仿真结果如图4所示，由仿真结果能够看出，不同的编码序列能够产生不同的波束调控效果，如单波束、双波束等。与此同时，当二极管偏置电流由0mA变至100uA再变至20uA时，即二极管非线性区，单元对入射电磁波吸收程度不断增强，单元反射幅度不断降低，即通过改变偏置状态能够对单元反射幅度进行动态调节，仿真结果如图5所示。
为了验证理论设计的正确性，利用印刷电路板工艺制备了超表面原理样件，并利用SMT表面贴装技术焊接了超表面有源器件，即PIN二极管，如图6所示。图7展示了超表面在PIN管“导通”\“断开”两种状态时的反射幅度和反射相位差测试结果。从实测结果可以看出，样件在8GHz-10GHz频带内两种工作状态反射幅度差小于1dB，反射相位差在160°至195°范围内，单元全波仿真与实测结果吻合良好。
图8展示了超表面不同编码状态散射波束调控实测结果，从实测结果可以看出，通过对超表面输入000000/111111和010101两组编码，能够在宽频带内产生笔形波束和双波束反射，测试结果与仿真结果吻合度较高。
图9展示了超表面样件不同偏置状态下的RCS缩减值(与同尺寸金属平板对比)。从实测结果可以看出，样件能够实现在垂直条件下后向RCS减缩动态可调。
超表面实测结果与理论仿真吻合度较高，验证了理论设计的正确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，该超表面由相同结构尺寸的单元在x和y二维方向上以单元边长为周期排列组成阵列形式，所述单元包括上层金属结构(1-1)和(1-2)、中层介质(2)、PIN二极管(3)及下层金属背板(4)，所述上层金属结构(1-1)和(1-2)位于中层介质(2)的上表面，并且上层金属结构(1-1)和(1-2)之间具有间隔；所述中层介质(2)位于下层金属背板(4)上表面；所述PIN二极管(3)的正负极分别焊接于上层金属结构(1-1)和(1-2)之间的间隔两侧中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，所述超表面由印刷电路板工艺制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，所述单元上层金属结构(1-1)为T字型结构，由矩形结构(i)和矩形结构(j)一体化构成，结构(j)位于结构(i)的中间位置，(1-1)和(1-2)形状尺寸相同，在x方向镜像对称放置，阵列中每一列的单元通过金属结构(1-1)和(1-2)相互连接，每一列中所有单元共用同一个直流偏置，阵列中每一列第一个单元的金属结构的(1-1)和(1-2)分别与直流馈线的正负极连接，形成直流回路。
4.根据权利要求1或2所述的一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，所述中层介质(2)为F4B、FR-4、有机玻璃、聚酰亚胺、聚氨酯、陶瓷材料中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，所述下层金属背板(4)为正多边形结构。
6.根据权利要求1或2所述的一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，组成该超表面的单元具备宽频带两种工作状态下反射相位差180°±20°，反射幅度差小于1dB，所述两种工作状态为PIN二极管(3)“导通”\“断开”。
7.根据权利要求1或2所述的一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，所述单元在PIN二极管“导通”\“断开”的不同工作状态下，可用二进制数字“0”和“1”来表征。
8.根据权利要求3所述的一种宽带吸波、散射可调超表面，其特征在于，单元长度为p，中层介质的厚度为h，上层T字型金属结构(1-1)中矩形结构(i)的长为p，宽为b，上层金属结构(1-1)中矩形结构(j)的长为c，宽为d，金属结构(1-1)和(1-2)的距离，即左右两个T字型金属结构间的间隔宽度为g，上层金属结构(1-1)距单元左边边缘距离为a，上层金属结构(1-2)距单元右边边缘距离为a。
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