CN110098487A - 一种超宽带雷达散射截面缩减超表面 - Google Patents

一种超宽带雷达散射截面缩减超表面 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，基于混合极化转换与多元相消干涉技术实现目标的超宽带雷达散射截面缩减。所述超表面由M×N种极化转换单元构成；所述极化转换单元包括介质板底部的金属地板、介质板以及设置在所述介质板顶部的金属贴片，所述金属贴片为基于双箭头形状的贴片。设计的超表面能够在7.5GHz‑22.5GHz(相对带宽为100％)的频率范围内同时实现10dB单站和双站RCS缩减。同时所设计的超表面具有入射波极化独立的特性。

Description

一种超宽带雷达散射截面缩减超表面
技术领域
本发明属于二维超材料技术领域，尤其涉及一种基于混合极化转换与多 元相消干涉技术的电磁超表面，用于实现超宽带雷达散射截面(RCS)缩减。
背景技术
随着无线技术的迅速发展，各个国家探测目标物体电磁信号的技术也 越来越精进。因此，电磁隐身技术的研究刻不容缓。雷达探测系统主要通 过捕获目标物体对雷达发射波的散射场来探测目标物体。散射场越强，目 标物体被探测到的可能性越大。而雷达散射截面(RCS)是目标对入射雷 达波呈现的有效散射面积，是定量表征目标物体散射特性的参量。
传统的RCS缩减技术主要包括四种：外形隐身技术、雷达吸波材料隐 身技术、无源对消技术及有源对消技术。外形隐身技术是最高效的单站RCS 缩减方式，但是这项技术在外形设计上挑战太大，难以兼顾RCS缩减和设 备功能两个方面，雷达吸波材料通过吸收入射波的能量来减小散射场的能 量，将能量转换为热能散发。传统的雷达吸波材料虽然能较大程度上吸收 入射波，但其工作带宽非常窄，且本身重量大，给飞行器或其他军事设备 带来的负担比较大。其改变能量耗散转换成热能的本质，使得目标物体容 易暴露于红外探测系统。无源对消技术对频率、极化、观察角都非常敏感。 有源对消技术对目标物体软件和硬件的需求都非常高，实际中使用率不 高。随着雷达探测技术的不断发展，基于这些传统技术的反雷达系统愈加 脆弱，亟需新的技术来改善电磁隐身技术的性能。而超材料、超表面的出 现和快速发展则为雷达隐身技术的发展提供了全新的途径。
通常RCS缩减是实现共极化的RCS缩减，即入射波的极化与反射波的 极化相同。因此，极化转换单元，能将入射波极化方向旋转与反射的单元， 可以被用来实现共极化RCS的缩减。通过将入射波的极化旋转90°，共极 化能量转换我交叉极化并反射，从而使得共极化的能量降低，最终共极化 RCS得到缩减。由这样的单元组成的超表面称为极化转换超表面，定量表 征转换到交叉极化能量多少的物理量为极化转换效率(PCR)。当PCR越 高时，转换到交叉极化的能量就越多，共极化的能量就越少，实现共极化 RCS缩减的幅度就越大。因此，之前的大部分研究都集中在如何提高单元 的PCR。但是，设计一种极化转换单元在宽频段内实现较高转换率(PCR) 是比较困难。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，将极化转换和多元 相消干涉相结合，由单元的极化转换特性转换一部分能量到交叉极化，剩 下的共极化能量利用单元之间的相消干涉来进行抑制。
本发明采用如下技术方案：
一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，所述超表面由8×8个栅格组 成，每个栅格由6×6个极化转换单元组成；超表面共包括64种个极化转 换单元(即8×8个栅格，1个栅格为1种极化转化单元)，其中32种极 化转换单元为另外32种极化转换单元的镜像单元；所述极化转换单元包 括介质板底层的金属地板、介质板以及设置在所述介质板顶部的金属贴片，所述金属贴片为基于非对称双箭头形状的贴片。
进一步地，通过设置所述极化转换单元中的所述介质板的厚度参数； 以及设置金属贴片的箭头臂长参数，以及设置双箭头形状的贴片宽度尺寸 参数；以满足在超宽频带范围内使超表面缩减共极化RCS；并且在所述箭 头臂长超过4.72mm时，箭头臂长以“L”继续增长。
进一步地，当平面波入射到极化转换超表面上时，所述超表面由极化 转换单元转换一部分能量到交叉极化，剩下的共极化能量利用单元之间的 相消干涉来抑制，从而缩减雷达散射截面。
进一步地，所述极化转换单元基于双箭头金属贴片结构设计。
进一步地，所述金属贴片为非对称结构，位于介质的顶部，沿对角线 放置。
进一步地，所述极化转换单元的双箭头形状的贴片的两个箭头的臂长 分别为l2、l3，连接两个箭头的金属条带宽度为w1，箭头宽度为w2，极化 转换单元的单元周期为6mm。
进一步地，所述极化转换单元为64种，其中32种为双箭头极化转换 单元，另外32种为其镜像单元。
进一步地，超表面由8×8个栅格构成，每个栅格由6×6个极化转换单 元组成。
进一步地，所述介质板为F4B-2介质板，介电常数为2.65。
进一步地，所述极化转换超表面在7.5GHz-22.5GHz频段上，可实现 10dB以上的单站和双站RCS缩减。
本发明的有益效果：
本发明首次提出了一种由64种极化转换单元组成的超表面，由单元 的极化转换特性转换一部分能量到交叉极化，剩下的共极化能量利用单元 之间的相消干涉来抑制，在7.5GHz-22.5GHz频率范围内，可同时实现10dB 单站和双站RCS缩减。极化转换单元能够将入射波的极化旋转90°(交叉 极化)反射。因此用来实现金属目标的RCS缩减。但是设计高极化转换率 的单元非常不容易，同时，如果要求极化转换单元能在较宽的频段内维持 较高极化转换率则更加困难。
因此，将多元相消干涉技术和极化转换这两个技术相结合设计了一个 二维超表面。总的单站和双站RCS都可以看作是共极化和交叉极化两个部 分组成。共极化单站RCS的缩减是由原优化的32种单元的极化转换特性 和单元间的相消干涉特性导致的。而交叉极化单站RCS缩减是由原优化的 32种单元与其镜像的32种单元之间的完全相消干涉特性实现的。双站RCS 的缩减一方面是由于单元的极化转换特性将能量分成两个部分，另一方面是由于优化单元之间以及优化单元与其镜像单元之间的相消干涉及单元 随机打乱的排布导致的。
在整个频段中，极化转换和相消干涉互相弥补。单元极化转换率不足 以满足条件时，由单元间的相消干涉特性来辅助减少RCS；当单元的反射 相位和幅度特性不够实现相消干涉时，通过极化转换来将能量分散到另一 个独立极化上。因此，设计的超表面能够在7.5GHz到22.5GHz(相对带宽 为100％)的频率范围内实现10dB单站和双站RCS缩减。同时，所设计的 超表面具有入射波极化独立的特性。
附图说明
图1(a)-图1(b)为本发明实施例提供的极化转换单元结构示 意图；
图2(a)-图2(d)为本发明实施例仿真得到的部分单元的共极 化反射系数；
图3为本发明中共极化单站RCS缩减优化框架图；
图4(a)-图4(f)为本发明中极化转换单元的尺寸和结构图；
图5为本发明实施例提供的单元的极化转换效率曲线图；
图6为本发明实施例提供的通过单元反射系数预测的共极化和交叉极 化单站RCS缩减值；
图7(a)-图7(f)为本发明中提供的极化转换单元的镜像单元的尺 寸和结构；
图8为(a)-图8(d)为极化转换单元及其镜像单元的共极化和交叉 极化反射幅度及相位曲线图；
图9为本发明的实施例中提供的超表面结构示意图；
图10为仿真中，x极化和y极化平面波垂直入射时，单站RCS缩减 值随频率变化曲线图；
图11为平面波垂直入射条件下，共极化和交叉极化下的单站RCS值 随频率变化曲线图；
图12(a)-图12(h)为在8.5GHz和20GHz频点上，PEC和超表面 的3D双站散射方向图；
图13为在x极化和y极化波垂直入射条件下双站RCS缩减图；
图14为加工制造的超表面样本图；
图15为平面波垂直入射条件下，超表面的单站RCS缩减值的测量结 果图；
图16(a)为TE极化波斜入射时镜像方向上的RCS缩减值；
图16(b)为TM极化波斜入射时镜像方向上的RCS缩减值；
图17(a)-图17(l)为8.5GHz和20GHz频点上，斜入射角度分别 为15°、30°和45°时PEC和超表面的3D双站散射方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术 方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施 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 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保 护的范围。
实施例1
作为本发明的一个示例性实施例，给出一种超宽带RCS缩减超表面 的一个仿真实施方案，此超表面由极化转换单元组成，工作介于 7.5GHz-22.5GHz频段上，相对带宽为100％。
在本说明书的实施例中，如图1(a)-图1(b)所示，给出了所使用 的极化转换单元结构的设计结构。极化转换单元为单层介质结构，介质基 板采用聚四氟乙烯玻璃布作为材料，介电常数为2.65，厚度为3mm，损耗 角正切为0.001。介质板的底部全覆铜作为金属地板。
介质的顶部为沿对角线摆放的非对称双箭头金属贴片。通过设置所述 极化转换单元中的所述介质板的厚度参数；以及设置金属贴片的箭头臂长 参数，以及设置双箭头形状的贴片宽度尺寸参数；以满足在超宽频带范围 内使超表面缩减共极化RCS。
极化转换单元的单元周期a＝6mm，箭头臂长以“一”形增长的最大 值为l1＝4.72mm，双箭头金属贴片的臂长l3＝1.4mm，连接两个箭头的 金属条带宽度w1＝0.24mm，箭头宽度w2＝0.3mm固定不变。
设置双箭头金属贴片的臂长l2时，以0.01mm的间隔从0.26mm变化 到8.12mm，当臂长超过4.72mm时，箭头臂长以“L”形继续增长。
在本说明书的实施例中，如图2(a)-图2(d)所示，仿真得到部分 单元的共极化反射系数。极化转换单元的共极化反射系数的幅度不再接近 于1，单元的反射相位也不再是随频率比较平缓的，而是发生了许多的跳 变。
在本说明书的实施例中优化32种单元的尺寸，如图3所示，给出了 共极化单站RCS缩减优化框架图。依然考虑多频点的RCS特性，从5GHz 到28GHz，以1GHz的间隔选取24个频点。由于单元的谐振特性，单元 反射系数在谐振频率处出现跳变，所以32种单元的尺寸只能从以仿真的 单元尺寸中选择。
经过1000次迭代之后，得到32种极化转换单元的双箭头臂长的金属 贴片的最优解，部分单元的尺寸和结构如图4(a)-图4(f)所示。
在本说明书的实施例中，根据极化转换率的计算公式可以计算得到图 4(a)-图4(f)中6个单元的PCR，如图5所示。在不考虑单元之间相 互作用的情况下，为了实现10dB的RCS缩减，单元的PCR需要大于或 等于0.9。从图5可以看出完全依赖于极化转换单元的极化转换特性是无 法在较宽频带范围内实现10dB RCS缩减的。例如，在8.5GHz，极化转换 单元的PCR普遍小于0.8，甚至低于0.33。在这样的情况下，RCS缩减需 要借助于单元之间相消干涉特性。而在20GHz时，大部分的极化转换单 元都在该频点附近谐振，极化转换单元整体的PCR都较高，此时的RCS 缩减则主要依赖于单元极化转换特性。
本说明书的一个实施例，通过极化转换单元反射系数预测共极化和交 叉极化单站RCS缩减值，如图6所示。由上述优化得到的32种单元组成 的超表面能够在7.1GHz-22.7GHz的频段范围内实现10dB的共极化单站 RCS缩减。
本说明书的实施例中，图7(a)-图7(f)给出了部分单元的镜像单 元的尺寸和结构。
在本说明书的实施例中，引入原32种单元的镜像单元来减少交叉极 化的单站RCS。镜像单元是原单元关于x轴对称得到的单元。为了分析镜 像单元的引入对单站RCS缩减带来的影响，以双箭头金属贴片臂长为 5.79mm的极化转换单元为例，对单元的反射系数进行研究。原极化转换 单元和镜像单元的反射系数如图8(a)-图(d)所示。可以看出，镜像单 元的共极化反射幅度和相位都和原优化极化转换单元的反射幅度和相位 相同。也即，镜像单元的引入不会影响到共极化单站RCS的缩减特性。 对于交叉极化来说，镜像单元与优化极化转换单元的反射幅度相同，反射 相位具有180°相位差，也即，镜像单元和原优化单元交叉极化反射系数 满足完全相消干涉的条件，从而镜像单元和对应的原极化转换单元的交叉 极化反射波相互抵消，实现极大的交叉极化RCS缩减。
在本说明书实施例中，确定32种单元的尺寸后，引入其对应的32种 镜像单元，组成的超表面如图9所示。超表面由8×8个栅格组成，每个 栅格由6×6个单元组成，每个单元周期为6mm，因此超表面总面积为288 ×288mm2。通过计算500个随机排布的适应值并选择适应值最优的排布， 得到二维超表面的最终排布。
在本说明书的实施例中，用全波仿真软件CST对超表面进行仿真。当 平面波垂直入射时，超表面可以在7.4GHz到22.6GHz(相对带宽为101％) 的频段内实现10dB的RCS缩减，如图10所示。x极化波垂直入射情况 下的仿真结果与y极化波垂直入射情况下的结果相一致。
在本说明书的实施例中，实际上总的单站RCS等于共极化单站RCS 和交叉极化单站RCS之和。图11给出了x和y极化平面波垂直入射时， 超表面共极化和交叉极化的单站RCS值。可以看出，相比于共极化的单 站RCS值，交叉极化的单站RCS值极低这是由于原优化极化转换单元和 镜像单元之间的完全相消干涉导致的。因此，交叉极化单站RCS的能量 可以忽略，总单站RCS的能量约等于共极化单站RCS的能量。共极化单 站RCS的缩减情况，也即总的单站RCS的缩减情况与通过反射系数理论 预测的结果相吻合，进一步验证了设计过程中理论计算和预测的准确性。 此外，x极化和y极化平面波垂直入射两种情况的RCS结果相一致。
在本说明书实施例中，超表面和等大金属板的双站RCS，如图12(a) -图12(h)所示。平面波垂直入射时，对比8.5GHz和20GHz频点处超表 面与等大金属板的3D散射方向图。可以看出，不同于金属板的散射将能 量集中在一个波束上，超表面的漫散射将能量分散到尽可能多的方向，从 而超表面双站RCS的最大值小于金属板的双站RCS的最大值。
在本说明书的实施例中，在整个频段中，单元的极化转换特性将能量 分成两部分，而单元之间的相消干涉特性以及单元的随机排布使得能量分 散到各个方向，从而进一步缩减双站的RCS。极化转换和多元相消干涉两 个技术相辅相成实现了超宽带双站RCS的缩减，如图13所示。超表面能 够在7.5GHz到22.5GHz的超宽带范围内实现10dB以上的双站RCS缩减。
在本说明书的实施例中，为了验证所设计的超表面的RCS缩减特性， 利用实物验证，如图14(a)-图14(b)所示。
在本说明书的实施例中，对加工的实物进行测量，图15给出了超表 面在平面波垂直入射条件下的单站RCS缩减值。由于超表面的极化独立 特性，只测量了平面波为x极化波的情况。可以看出，超表面在7.5GHz 到22.5GHz的频段内实现了10dB的单站RCS缩减。
在本说明书的实施例中，平面波斜入射情况下，超表面的RCS缩减 特性进行了研究。图16(a)给出了TE极化波斜入射时镜像方向上的RCS 缩减值；图16(b)给出了TM极化波斜入射时镜像方向上的RCS缩减值。 可以看出，在斜入射角度小于30°时，在7.6-22.2GHz频段内可实现9dB 以上的RCS缩减；当斜入射角度达45°时，TE极化波入射条件下得到的 镜像RCS缩减效果稍差一些。此外，图17(a)-图17(l)给出了在8.5GHz 和20GHz频率处，斜入射角度分别为15°、30°和45°时PEC和超表面 的3D散射方向图。可见超表面可以在宽角度入射条件下实现入射能量的 漫散射，相比于等大PEC，超表面的双站RCS大大缩减。
综上所述，本发明提出的极化转换超表面，很好地解决了超宽雷达散 射截面缩减问题。极化转换单元能够将入射波的极化旋转90°(交叉极 化)反射。因此常用来实现金属目标的RCS缩减。但涉及高极化转换率 的单元非常不容易，同时，如果要求极化转换单元能在较宽的频段内维持 较高极化转换率则更加困难。因此将多元相消干涉和极化转换两个技术相 结合，涉及了一种超表面。从的单站和双站RCS都可以看作是共极化和 交叉极化两个部分组成。共极化单站RCS的缩减是由原优化单元的极化 转换特性和单元间相消干涉特性导致的。而交叉极化单站RCS缩减是由 原优化单元和镜像单元之间的完全相消干涉特性实现的。双站RCS的缩 减一方面是由于单元的极化转换特性将能量分成两个部分，另一方面是由 于优化单元之间以及优化单元和镜像单元之间的相消干涉及单元随机打 乱的排布导致的。在整个工作频段中，极化转换和相消干涉互相弥补。单 元极化转换率不足以满足条件时，由单元间的相消干涉特性来辅助减少 RCS；当单元的反射相位和幅度特性不够实现很大程度的相消干涉时，通 过极化转换来将能量转换到另一个独立极化上。因此，超表面能够在 7.5GHz到22.5GHz(FBW为100％)的频段范围内实现单站和双站的10dB RCS缩减。同时，所设计的超表面具有入射波极化独立的特性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技 术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，超表面由8×8个栅格组成，每个栅格由6×6个极化转换单元组成；
所述超表面共包括64种极化转换单元，其中32种极化转换单元为另外32种极化转换单元的镜像单元；
所述极化转换单元包括介质板底部的金属地板、介质板以及设置在所述介质板顶部的金属贴片，所述金属贴片为基于非对称双箭头形状贴片。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述极化转换单元为单层介质结构，介质基板采用F4B-2介质板，介电常数为2.65，厚度为3mm，损耗角正切为0.001。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，介质板底部全覆铜作为金属地板。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述金属贴片为非对称结构，位于介质板的顶部，沿对角线放置。
5.根据权利要求4所述的一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述金属贴片的两个箭头的两个臂长分别为l2、l3，连接两个箭头的金属条带宽度为w1，箭头宽度为w2，通过设置两个箭头的两个臂长l2、l3的参数，设置介质板的厚度，设置两个箭头的箭头宽度w2以及设置两个箭头的金属条带宽度w1，以满足在超宽频带范围内使超表面缩减共极化RCS。
6.根据权利要求5所述的一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，极化转换单元的单元周期为6mm，所述箭头臂长以“一”形增长的最大值为l1＝4.72mm，双箭头形状的贴片臂长l3＝1.4mm，金属条带宽度为w1＝0.24mm，箭头宽度w2＝0.3mm。
7.根据权利要求5所述的一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，设置金属贴片的臂长l2时，以0.01mm的间隔，从0.26mm变化到8.12mm，当臂长超过4.72mm时，箭头臂长以“L”形继续增长。
8.根据权利要求3所述的一种超宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述超表面工作介于7.5GHz-22.5GHz频段上，相对带宽为100％。
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