CN110011060B - 一种电磁伪装超材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁伪装超材料及其应用，自下至上依次设置的金属底层和介质层，介质层上设置有若干金属贴片，金属贴片的面积占介质层的上表面面积的3％‑6％。相比于基本单元在特定位置上的超材料，本发明在基本单元随机分布，相邻单元的金属贴片可以重叠，具有更大的设计灵活度。电磁伪装超材料结构简单，除了通过立体打印技术制作，还可以在目标表面直接喷涂，应用更广泛。对于不同尺寸的目标物体，不需要重新设计单元排布，只需设定金属贴片长度和面积占比。

Description

一种电磁伪装超材料及其应用

技术领域

本发明属于电磁超材料技术领域，具体涉及一种电磁伪装超材料及其应用。

背景技术

伪装技术是为欺骗或迷惑对方所采取的各种隐蔽措施，在现代国防体系中具有非常重要的意义。伪装的基本原理是减小目标与背景的散射或辐射特性上的差别，以隐蔽真实目标或降低目标的可探测性特征。雷达散射截面积(radar cross section,RCS)是目标在平面波照射下在给定方向上返回散射功率的一种量度，是衡量伪装技术的一项指标。近年来，电磁超材料的出现，其许多自然煤质所不具有的新颖物理属性，使其在目标伪装领域有许多重要的应用价值。

Paquay等人设计了由人工磁导体(AMC)与理想电导体(PEC)组合成的棋盘结构，电磁波入射在棋盘结构表面被散射到四个方向上，镜面方向的反射波减少。东南大学崔铁军课题组提出编码超材料概念，通过算法优化相位分布，实现雷达散射截面的减少。1bit编码超材料由在一频段内相位相差180°的两种单元组成，设定“0”元素对应反射相位0°，“1”元素对应反射相位180°，将梯度单元优化组合使入射波束散射到各个方向上，形成漫反射，从而达到降低雷达散射截面积(RCS)的目的。2bit编码超材料、3bit编码超材料的出现增加了设计的自由度，经算法优化后，RCS缩减效果进一步提高。

以上提到的超材料结构基本单元结构在特定的位置上，基本单元不能重叠，设计灵活度不高；以上提到的单元结构反射相位数量有限，超材料设计自由度不高；以上提到的超材料，目标面积改变需要重新设计单元排布；以上提到的超材料结构无法直接涂覆在目标表面，在应用中具有局限性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种电磁伪装超材料及其应用，其上的金属贴片可以重叠，设计灵活度高，方便制作。

为达到上述目的，本发明所述一种电磁伪装超材料由随机排布的基本单元构成，基本单元包括金属底层、介质板以及设置在介质板上的金属贴片。通过设计金属贴片的旋转角度和/或金属贴片的长度；控制电磁波反射相位，以减少入射到超材料的电磁波的后向散射。所述的电磁伪装超材料表面金属贴片的面积占介质层的上表面积的3％-6％。

基本单元的金属贴片的角度旋转α，基本单元在垂直入射平面电磁波照射下反射相位改变 2α，金属贴片旋转角度0°≤α≤180°。

所述的基本单元，做通过矩形金属贴片中心且与贴片长边平行的直线L1，做通过金属贴片中心并且与介质板左边平行的直线L2，直线L1与直线L2之间的夹角为金属贴片旋转角度α，金属贴片旋转角度α从直线L2指向直线L1。

金属贴片的长度决定超材料响应频率。金属贴片长3mm-8mm，在垂直入射平面电磁波照射下，金属贴片长度越长，超材料响应频率越低；金属贴片长度越短，所述的超材料响应频率越高。

每个基本单元的金属贴片可以在0°-180°内任意旋转，形成不同的相位梯度单元，在垂直入射平面电磁波照射下，每个单元的反射相位不同。

基本单元包括金属地板、介质板以及设置在所述介质板上的金属贴片。金属贴片为矩形金属片，长为5mm，宽为0.4mm，厚0.035mm，矩形金属贴片位于基本单元表面的中心位置，金属贴片的旋转角度为α；所述介质层的厚度为2.5mm，长为6mm，介电常数为2.7，损耗角正切为0.002；所述金属底层，厚度为0.035mm，长为6mm。

电磁伪装超材料由随机排布的基本单元构成，金属贴片可以重叠，每个基本单元的金属贴片的旋转角度在0°-180°内，在垂直入射平面电磁波照射下，超材料的每个基本单元有不同的反射相位，电磁波被反射到上空间任意方向上，形成漫反射效果，缩减RCS。

所述电磁伪装超材料在缩减物体的雷达散射截面积中应用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：相比于基本单元在特定位置上的超材料，本发明在基本单元随机分布，相邻单元的金属贴片可以重叠，具有更大的设计灵活度。超材料结构简单，除了通过立体打印技术制作，还可以在目标表面直接喷涂，应用更广泛。对于不同尺寸的目标物体，不需要重新设计单元排布，只需设定金属贴片长度和面积占比。而且传统电磁伪装以吸波为主，对地面物体不适合，本发明吸波效果少，主要是通过改变电磁波散射方向，实现漫反射效果，模拟地面。

进一步的，基本单元的金属贴片旋转角度为在0°-180°内的任意角度，基本单元反射相位数量增加，超材料设计自由度增加。

进一步的，介质层上设置有两种长度的金属贴片，金属贴片长度决定超材料结构的响应频率，通过调整金属贴片的长度可以使超材料在某一频段缩减RCS，组合两种或两种以上长度的金属贴片可以在双频带或多频带上缩减RCS。两种长度的金属贴片的数量之比为1:1，隐身效果更好。

进一步的，金属贴片的宽度在0.1mm至0.6mm之间，保证良好的电磁波散射效果。

将电磁伪装超材料应用在缩减物体的雷达散射截面积中时，能够有效减少镜面方向散射电磁波，达到目标隐身目的。

附图说明

图1a为电磁伪装超材料基本单元的立体图；

图1b为电磁伪装超材料基本单元的俯视图；

图2为在线极化平面电磁波照射下电磁波反射相位与金属贴片旋转角度的关系图

图3a为电磁伪装超材料的立体图；

图3b为在垂直入射电磁波极化方向分别为x轴和y轴时电磁伪装超材料的远场双站RCS 缩减结果图；

图3c为垂直入射波电场极化方向沿x轴时电磁伪装超材料的三维远场散射方向图；

图3d为垂直入射波电场极化方向沿y轴时超材料结构的三维远场散射方向图；

图4为电磁伪装超材料的金属贴片长度与谐振频率的关系图；

图5a实施例1的磁伪装超材料立体图；

图5b为垂直入射波电场极化方向分别沿x轴和y轴时实施例1的RCS缩减结果；

图6a为实施例2的伪装超材料立体图；

图6b为垂直入射波电场极化方向分别沿x轴和y轴时实施例2的远场双站RCS缩减结果；

图7a为实施例3的伪装超材料立体图；

图7b为垂直入射波电场极化方向分别沿x轴和y轴时实施例3的远场双站RCS缩减结果。

附图中：1、金属底层，2、介质板，3、金属贴片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1a为电磁伪装超材料基本单元立体图，电磁伪装超材料基本单元，自下往上分别是厚度t1为0.035mm的金属底层1、厚度为2.5mm的介质层2和厚度为0.035mm的金属贴片3。图1b给出了电磁伪装超材料基本单元俯视图，介质层2和金属底层的横截面为边p＝6mm的正方形，金属贴片长a为5mm，宽w为0.4mm，旋转角度为α。其中，介质层2和金属底层1 的形状相同，介质层2和金属底层1的外周面齐平。

图2展示了在线极化平面电磁波照射下电磁波反射相位与金属贴片旋转角度的关系图。通过改变金属贴片旋转角度α可以实现对电磁波反射相位的调控。依次旋转金属贴片，金属贴片旋转α₁，电磁波反射相位改变2α₁。随机旋转金属贴片，形成随机相位梯度单元，电磁波被反射到上空间任意方向。

图3a给出了电磁伪装超材料的立体图。生成的超材料模型尺寸为 150mm*150mm*2.57mm，介质厚度为2.5mm，金属底层厚0.035mm。表面金属贴片面积占比为4.44％，金属贴片数量为500片，500片金属贴片的形状和尺寸相同，金属贴片长5mm，宽 0.4mm。金属贴片在超材料表面随机分布，不同金属贴片3在0-180°内任意旋转，形成大量相位梯度单元，金属贴片3部分交叠。底层金属材料为铜、铝或不锈钢；中间介质层为环氧树脂、有机硅胶或FR4；表面金属帖片可以为铜、铝或不锈钢。每20mm*20mm范围内，金属贴片的面积至少占0.5％，或每20mm*20mm至少有一个金属贴片。

图3b给出了在垂直入射电磁波极化方向分别为x轴和y轴时电磁伪装超材料的远场双站 RCS缩减结果。表面大量的相位梯度单元将电磁波反射到空间各个方向，形成漫反射效果，镜像散射电磁波减少，超材料RCS缩减。如图3b所示，极化方向为x轴的垂直入射电磁波照射到超材料结构上，在11.9GHz-14.3GHz频带上RCS缩减10dB以上。极化方向为y轴的垂直入射电磁波照射到超材料结构上，在12.2GHz-14.6GHz频带上RCS缩减10dB以上。极化方向分别为x轴、y轴的垂直入射电磁波照射到超材料上，远场双站RCS缩减趋势相近，此超材料具有偏振无关特性。

图3c为垂直入射波电场极化方向沿x轴时电磁伪装超材料的三维远场散射方向图，图3d 为垂直入射波电场极化方向沿y轴时超材料结构的三维远场散射方向图，频率为13.4GHz。超材料表面的相位梯度单元将入射电磁波反射到随机方向上，形成漫反射效果。如图3c、图3d 所示，电磁波分布在上空间随机方向，没有明显的峰值，在Theta＝0，Phi＝0方向上，散射电磁波明显减少。

图4为电磁伪装超材料的金属贴片长度与谐振频率的关系。电磁波的响应频率与金属贴片长度有关，通过调整金属片的长度可以改变超材料的响应频率。如图4所示，不同长度的金属贴片对应不同的响应频率。组合两种或两种以上长度的金属贴片可以实现超材料双频带或多频带RCS缩减，拓展带宽，目标可以在宽频带上实现隐身。

实施例1

图5a为金属贴片长为4mm、6mm的电磁伪装超材料立体图。为了拓展超材料RCS缩减带宽，采用长度分别为4mm和6mm两种金属贴片。金属底层长×宽×高＝150mm*150mm *0.035mm，中间介质层长×宽×高＝150mm*150mm*3mm。超材料表面金属贴片面积占比为3.33％，长度为4mm的金属贴片250个，长度为6mm的金属贴片250个，所有金属贴片宽0.3mm，厚0.035mm。金属贴片在超材料表面随机分布，任意旋转，形成大量相位梯度单元。

图5b为垂直入射波电场极化方向分别沿x轴和y轴时电磁伪装超材料的远场双站RCS缩减结果。金属贴片长度为4mm与金属贴片长度为6mm的超材料RCS缩减频带相近，采用两种不同长度的金属贴片可以实现超材料双频带或多频带RCS缩减，拓展带宽。如图5b所示，在电场极化方向沿x轴的垂直入射波照射下，超材料在12.4GHz-19.7GHz频段上RCS缩减10dB以上，带宽7.3GHz。在电场极化方向沿y轴的垂直入射波照射下，超材料在 12.2GHz-19.6GHz频段上RCS缩减10dB以上，带宽7.4GHz。电磁伪装超材料在电场极化方向分别沿x轴和y轴的垂直入射波照射下，RCS缩减趋势相似，此超材料结构具有偏振无关特性。

实施例2

图6a为金属贴片长为4mm、7mm的电磁伪装超材料立体图。为了拓展超材料RCS缩减带宽，案例2采用长度分别为4mm、7mm的金属贴片。金属底层的长×宽×高＝150mm*150mm *0.035mm，中间介质层长×宽×高＝150mm*150mm*3mm。超材料表面金属贴片占比为3.67％，长度为4mm的金属贴片250个，长度为7mm的金属贴片250个，金属贴片宽0.3mm，厚 0.035mm。金属贴片在介质层2的表面随机分布，任意旋转。

图6b为垂直入射波电场极化方向分别沿x轴和y轴时电磁伪装超材料的远场双站RCS缩减结果。采用长度分别为4mm和7mm的金属贴片可以实现超材料双频带或多频带RCS缩减，拓展带宽。如图6b所示，在电场极化方向沿x轴的垂直入射波照射下，超材料结构在11.5GHz-15.2GHz、15.0GHz-23.7GHz频段上RCS缩减10dB以上，RCS缩减带宽12.4GHz。在电场极化方向沿y轴的垂直入射波照射下，超材料在12.2GHz-16.2GHz、16.4GHz-24.4GHz 频段上RCS缩减10dB以上，带宽12GHz。电磁伪装超材料在电场极化方向分别沿x轴和y 轴的垂直入射波照射下，RCS缩减趋势相似，此超材料具有偏振无关特性。

实施例3

图7a为金属贴片长为3mm、8mm的电磁伪装超材料立体图。本实施例中金属贴片3有两种长度，分别为长为3mm的金属贴片和长为8mm金属贴片。金属底层的长×宽×高＝150mm*150mm*0.035mm，介质层的长×宽×高＝150mm*150mm*3mm。超材料表面金属贴片占比为3.67％，长度为3mm的金属贴片250个，长度为8mm的金属贴片250个，金属贴片宽0.3mm，厚0.035mm。金属贴片3在介质层2的表面随机分布，且在0-180°内任意旋转。

图7b为垂直入射波电场极化方向分别沿x轴和y轴时电磁伪装超材料的远场双站RCS缩减结果。采用长度分别为3mm和8mm的金属贴片可以实现超材料双频带或多频带RCS缩减，拓展带宽。如图7b所示，在电场极化方向沿x轴的垂直入射波照射下，超材料结构在10.3GHz-15.0GHz、15.3GHz-23.4GHz频段上RCS缩减10dB以上，RCS缩减带宽12.8GHz。在电场极化方向沿y轴的垂直入射波照射下，超材料在10.9GHz-14.5GHz、17.3GHz-25.0GHz 频段上RCS缩减10dB以上，带宽12.3GHz。电磁伪装超材料在电场极化方向分别沿x轴和y 轴的垂直入射波照射下，RCS缩减趋势相似，此超材料具有偏振无关特性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电磁伪装超材料，其特征在于，包括自下至上依次设置的金属底层(1)和介质层(2)，所述介质层(2)上设置有若干金属贴片(3)；金属贴片(3)的面积占介质层(2)的上表面面积的3％-6％；

所述金属贴片(3)为在介质层(2)上随机分布，所述金属贴片(3)在0°-180°内任意旋转，所述的贴片(3)由两种长度的矩形贴片构成；

两种长度的金属贴片(3)的数量之比为1:1；

金属贴片(3)的长度为3mm-8mm；

介质层(2)上每20mm×20mm范围内至少有一个金属贴片(3)；

金属贴片(3)的厚度为0.035mm。

2.根据权利要求1所述的一种电磁伪装超材料，其特征在于，金属贴片(3)的宽度为0.1mm～0.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种电磁伪装超材料，其特征在于，金属贴片(3)采用铜、铝或不锈钢制成。

4.权利要求1所述的电磁伪装超材料在缩减物体的雷达散射截面积中应用。

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