CN110391501A - 一种应用于自由空间电磁波散射特性调控的双功能各向异性超表面设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于自由空间电磁波散射特性调控的双功能各向异性超表面设计方法。该超表面在x极化方向上实现高方向性抛物面天线功能，在y极化方向上实现随机散射以用于雷达散射截面缩减功能。超表面由相互正交的“I”字形各向异性超表面单元结构构成，并通过调节“I”字形单元结构的几何参数来调控相位分布。在x极化方向，终端开口的波导天线用作抛物面天线的馈源，超表面起相位补偿作用，从而实现高定向性的抛物面天线。在y极化方向，具有不同反射相位响应的四种“I”字形结构随机排布，形成随机散射表面用以雷达散射截面缩减。双功能的超表面既能用于高定向波束的产生，同时又能用于目标物体的雷达散射截面缩减，且其具有重量轻、厚度薄、易于加工等诸多优点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种应用于自由空间电磁波散射特性调控的双功能各向异性超表面设计方法，属于微波电磁调控器件领域。
背景技术：
人工电磁超材料是由人工设计的亚波长基本单元按周期或非周期结构排列组成，从上个世纪末开始人工电磁超材料实现了从理论到实验的原理证明，它在吸波、天线等领域越来越多的应用吸引了广泛的关注。人工电磁超表面是人工电磁的二维形式，一般由非周期结构按照一定的空间规律排列构成。本发明中涉及的电磁超表面是利用具有各向异性的单元结构，通过调整单元结构的物理参数，达到对不同线极化入射电磁波反射相位响应的独立调控目的，并以此实现具有高方向性散射特性和低雷达散射截面特性的双功能各向异性超表面设计。该双功能超表面可用作于平面抛物面天线，且与传统抛物面天线相比，具有体积小、重量轻、低成本、易于设计、低雷达散射截面等优势，具有良好的工程应用价值。
发明内容：
发明目的：本发明提出了一种应用于自由空间电磁波散射特性调控的双功能各向异性超表面设计方法。该超表面由各向异性的反射型超表面单元结构组成，在x极化方向实现高方向性抛物面天线功能，在y极化方向实现随机散射以降低目标物体雷达散射截面的功能。这种超表面把两种电磁散射调控功能融合在一个超表面设计上，具有良好的应用前景。
技术方案：本发明所述的对自由空间电磁波散射特性进行调控的超表面具有三层平面结构，分别是背面金属板、中间介质层和正面金属图案层。其中正面金属图案层由相互正交的“I”字形结构组成。通过分别调节x和y方向上的“I”字形结构的长度，可以实现对x极化和y极化方向线极化入射电磁波反射相位响应的独立调控。在x方向上，首先用终端开口波导斜入射至超表面所在平面，对此馈源的初始辐射相位分布进行互补运算，得到超表面在x方向上的所需要的相位响应分布图。随后，用不同的“I”字形结构来实现该所需要的相位分布。在y方向上，首先选择具有0度、90度、180度、270度这四种反射相位响应的“I”字形结构，随后将这四种结构分别拼成3×3的大单元结构，再将这四种大单元结构在超表面所在平面内进行随机排布，由此得到超表面在y方向上的“I”字形结构分布。最后，把x方向和y方向上的“I”字形金属图案结合在一起组成最终的双功能各向异性超表面。
有益效果：1、在X波段(8GHz-12GHz)既实现了高方向性抛物面天线功能，又实现了背向雷达散射截面缩减的功能；2、双功能超表面易于设计且厚度薄，有良好的应用前景；3、为设计各向异性超表面器件和多功能电磁调控器件提供了一种可行方法。
附图说明：
图1是本发明中双功能各向异性超表面整体图。图1(a)是单元结构正视图，它由x和y方向上两个正交的“I”字形结构组成，图1(b)是超表面单元结构的反射相位在10GHz处随参数lx(ly)的响应变化曲线，图1(c)是加工制作的超表面实物照片图。
图2是本发明的超表面用作平面抛物面天线时的示意图。
图3是本发明的超表面在x极化方向上的抛物面天线在10GHz处仿真的E面方向图。
图4是本发明的超表面在y极化方向上的随机散射表面在10GHz处仿真的E面方向图。
图5是本发明的超表面x极化方向抛物面天线随频率变化的方向性性能。
图6是本发明的超表面y极化方向随机散射表面
对雷达散射截面缩减的实验测量曲线。
在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。
具体实施方式：
下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
图1(a)是超表面单元结构图，其中p＝6mm，w＝0.4mm，s＝2mm。我们采用正交的“I”字形结构为基本单元来构建超表面。通过改变lx(ly)的长度可以达到调控超表面单元反射相位响应的目的。如图1(b)所示，随着lx(ly)长度的变化“I”字形结构相位响应发生近360度的变化。图1(c)为实际超表面样品图，具有x和y两个极化方向。在x极化方向，超表面实现了高方向性抛物面天线功能，该天线具体实现方法如图2所示。首先用终端开口波导天线斜入射到超表面上得到一个初始相位分布，然后设计超表面单元来补偿这个相位分布，用得到的补偿相位分布对应设计不同的lx长度，即可得到超表面x极化方向的结构分布，最终使经过超表面反射后的电磁波为高定向散射。图3为抛物面天线在10GHz处的E面远场辐射方向图。在y极化方向上，超表面实现了随机散射的功能，具体实现方法如下：首先根据图1(b)选择反射相位为0度、90度、180度、270度所对应的ly长度，接着用这四种“I”形结构拼成3×3的大单元结构，再对这四种大单元结构进行随机排布，由此得到超表面在y方向上的结构分布。当入射波照射在超表面上，经过超表面反射的电磁波将随机散射到各个方向，实现雷达散射截面缩减的功能。如图4的散射方向图所示，经过超表面反射的电磁波随机散射到各个方向上。同时为了验证前面的仿真结果，我们也对超表面进行了样品制备和实验测量。图5是超表面x极化方向的远场方向性随频率变化曲线，从实验和仿真结果对比可以看到超表面在X波段保持很高的方向性，实现了具有高方向性的抛物面天线功能。图6是超表面在宽带内的雷达散射截面缩减实验值，可以看出，超表面在X波段实现了10dB以上的雷达散射截面缩减。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。
Claims (3)
1.一种应用于自由空间电磁波散射特性调控的双功能各向异性超表面设计方法。该方法利用各向异性超表面调控电磁波的散射特性，在x方向上实现高方向性平面抛物面天线的功能，在y方向上实现随机散射以减低目标物体雷达散射截面的功能。
2.根据权利要求1所述的双功能各向异性超表面设计方法，其特征在于所述超表面在x和y方向上可实现不同的电磁散射调控功能。
3.根据权利要求1所述的双功能各向异性超表面设计方法在双功能超表面制备过程中的应用。
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