CN110544832A - 一种双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面。该动态伪装超表面包括多个动态伪装超表面单元，每个单元包括上介质层、电阻层和下介质层；上介质层的上表面设置有带缺口圆环、变形的耶路撒冷十字架和PIN二极管，带缺口圆环包括两个对称设置的第一缺口，变形的耶路撒冷十字架设置于带缺口圆环的内部，且四根支架上分别设置一个第二缺口，所述两个第一缺口设置于相邻两个支架的中间位置；每个第一、第二缺口对应的位置分别设置一个PIN二极管；所述电阻层的上表面设置有电阻薄膜，下介质层的下表面为金属板。本发明能够通过FPGA对动态伪装超表面阵列进行调控实现RCS的快速变化，且具有工艺简单、成本低、重量轻的优点。

Description

一种双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面
技术领域
本发明属于电磁功能材料技术领域，特别是一种双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面。
背景技术
在微波波段的电磁识别中，目标的电磁特征是目标的电磁波散射、反射、绕射信号的综合体现，反映了目标的几何外形、材料组分、运动情况等特性，因此是S(2-4GHz)、C(4-8GHz)、X(8-12GHz)、Ka(12-18GHz)等各波段雷达用来探测、追踪、识别目标的重要依据。现代战争中，由于探测技术和精确制导武器越来越先进，侦查手段多、范围广、技术高，为了隐真求存，电磁伪装技术由此得到了飞速的发展。电磁伪装技术可有效地改变作战平台的可探测的特征信号，提高作战平台的效能，提高目标的生存能力，在现代军事中具有巨大战术价值和战略威慑作用。然而传统的被动电磁隐身与伪装技术，仅具有单一的电磁特征，已经难以满足现代装备工程应用需求。研究具有多频段、主动可调的电磁特征具有重要的意义。
Ghosh,S.等(Ghosh S,Srivastava K.Polarization-Insensitive Dual-BandSwitchable Absorber with Independent Switching[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,2017:1-1.)提出了一种主动调控的单元设计方法，但是该设计无法实现每个单元单独调控，只能实现一排一排的调控，使得电磁特征浮动范围有一定的局限性。李猛猛等(李猛猛，孙龙，陈如山，丁大志等.一种基于幅度可调谐电控吸波超表面，CN108682962A.2018.)提出了一种幅度可调谐电控吸波超表面，解决了电磁特征浮动范围的问题，但是该设计仅仅局限于单频段的调控，无法实现双频段的调控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、易于加工的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，包括多个动态伪装超表面单元，且各个动态伪装超表面单元周期性地排列在介质基板上构成阵列，所述每个动态伪装超表面单元包括由上到下依次设置的上介质层、电阻层和下介质层；
所述上介质层的上表面设置有带缺口圆环、变形的耶路撒冷十字架和PIN二极管，带缺口圆环包括两个对称设置的第一缺口，变形的耶路撒冷十字架设置于带缺口圆环的内部，且四根支架上分别设置一个第二缺口，形成四个对称分布的第二缺口，所述两个第一缺口分别设置于相邻两个支架的中间位置；每个第一缺口、第二缺口对应的位置分别设置一个PIN二极管；所述变形的耶路撒冷十字架中心位于带缺口圆环的圆心位置，且该圆心位置设置第一金属过孔，带缺口圆环上设置第二、第三金属过孔，该两个金属过孔所在直线垂直于两个第一缺口所在直线；
所述电阻层的上表面设置有电阻薄膜；
所述下介质层的下表面为金属板。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，沿着圆环上第三金属过孔向外且与圆环相切的方向设置延伸结构，且该延伸结构的末端与LED二极管的一端连接，LED二极管的另一端设置第四金属过孔，第三、第四金属过孔用于导通LED二极管。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，所述动态伪装超表面单元的结构周期为25mm，圆环外半径r为12.3mm，圆环宽度为1.3mm，金属过孔半径为0.5mm，圆环上的第一缺口宽度g为1.7mm。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，所述延伸结构从第三金属通孔中心至LED二极管的距离d为10.2mm，第三金属过孔中心、第四金属过孔中心之间的距离c为11.65mm，LED二极管用于观测对应动态伪装超表面单元的调控状态。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，所述变形的耶路撒冷十字架，具体为：在耶路撒冷十字架上设置凹槽，用于增加十字架的有效电长度，从而实现谐振点的调控；所述十字架臂长l＝10.2mm，臂宽p＝1mm，十字架上的第二缺口距变形的耶路撒冷十字架中心的长度m为8mm，第二缺口宽度g为1.7mm；所述凹槽距变形的耶路撒冷十字架中心的距离e＝5mm，凹槽外侧边线高度n＝1.7mm、宽度f＝2.5mm。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，所述上介质层的厚度为4.8mm，电阻层的厚度为0.5mm，下介质层的厚度为2mm。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，所述上介质层和下介质层的介电常数都为4.3，损耗角正切值为0.02，中间电阻层的介电常数为4.72。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，所述电阻层上表面电阻薄膜的阻值50Ω。
进一步地，所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，通过FPGA对每个动态伪装超表面单元加载不同的偏置电压进行单独调控，从而使得动态伪装超表面单元阵列具有设定的排列顺序，实现对目标雷达散射截面的动态调控。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过FPGA对一块动态伪装超表面上所有单元进行单独调控，实现不同的编码组合，从而实现铺覆该阵列结构后目标RCS特性的大幅度变化；(2)能够实现S(2-4GHz)、X(8-12GHz)两个频段的雷达散射截面的动态调控效果；(3)具有易于加工、容易实现的优点，易于运用印刷电路技术进行大批量生产。
附图说明
图1是本发明双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面的单元结构示意图，其中(a)为右视图，(b)为俯视图，(c)为带缺口圆环部分的结构图，(d)为变形的耶路撒冷十字架的结构图。
图2是本发明实施例中PIN二极管呈现断开状态时改变交叉十字的臂长L所对应单元的反射系数的变化曲线图。
图3是本发明实施例中PIN二极管呈现导通状态时改变交叉十字的臂长L所对应单元的反射系数的变化曲线图。
图4是本发明实施例中16×16双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面阵列的结构示意图。
图5是本发明实施例中PIN二极管呈现断开与导通两种状态时动态伪装超表面单元对应的反射系数曲线图。
图6是本发明实施例中3.5GHz时，对应于PIN二极管呈现全部断开状态时，动态伪装超表面阵列和相同大小金属平板的仿真结果对比图。
图7是本发明实施例中3.5GHz时，对应于PIN二极管呈现全部导通状态时，动态伪装超表面阵列和相同大小金属平板仿真对比结果。
图8是本发明实施例中3.5GHz时，对应于PIN二极管呈现部分导通部分断开状态时，动态伪装超表面阵列和相同大小金属平板的仿真结果对比图。
图9是本发明实施例中10.5GHz时，对应于PIN二极管呈现全部断开状态时，电控吸波超表面阵列和相同大小金属平板的仿真结果对比图。
图10是本发明实施例中10.5GHz时，对应于PIN二极管呈现全部导通状态时，电控吸波超表面阵列和相同大小金属平板的仿真结果对比图。
图11是本发明实施例中实际加工的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面阵列的结构示意图，其中(a)为上表面示意图，(b)为下表面示意图。
具体实施方式
结合图1(a)～(d)，本发明双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，包括多个动态伪装超表面单元，且各个动态伪装超表面单元周期性地排列在介质基板上构成阵列，所述每个动态伪装超表面单元包括由上到下依次设置的上介质层1、电阻层2和下介质层3；
所述上介质层1的上表面设置有带缺口圆环、变形的耶路撒冷十字架11和PIN二极管，带缺口圆环包括两个对称设置的第一缺口，变形的耶路撒冷十字架11设置于带缺口圆环的内部，且四根支架上分别设置一个第二缺口，形成四个对称分布的第二缺口，所述两个第一缺口分别设置于相邻两个支架的中间位置；每个第一缺口、第二缺口对应的位置分别设置一个PIN二极管；所述变形的耶路撒冷十字架11中心位于带缺口圆环的圆心位置，且该圆心位置设置第一金属过孔，带缺口圆环上设置第二、第三金属过孔，该两个金属过孔所在直线垂直于两个第一缺口所在直线；
所述电阻层2的上表面设置有电阻薄膜12；
所述下介质层3的下表面为金属板33。
作为一种优选方案，沿着圆环上第三金属过孔向外且与圆环相切的方向设置延伸结构，且该延伸结构的末端与LED二极管的一端连接，LED二极管的另一端设置第四金属过孔，第三、第四金属过孔用于导通LED二极管。
作为一种优选方案，所述动态伪装超表面单元的结构周期为25mm，圆环外半径r为12.3mm，圆环宽度为1.3mm，金属过孔半径为0.5mm，圆环上的第一缺口宽度g为1.7mm。
作为一种优选方案，所述延伸结构从第三金属通孔中心至LED二极管的距离d为10.2mm，第三金属过孔中心、第四金属过孔中心之间的距离c为11.65mm，LED二极管用于观测对应动态伪装超表面单元的调控状态。
作为一种优选方案，所述变形的耶路撒冷十字架11，具体为：在耶路撒冷十字架上设置凹槽，用于增加十字架的有效电长度，从而实现谐振点的调控；所述十字架臂长l＝10.2mm，臂宽p＝1mm，十字架上的第二缺口距变形的耶路撒冷十字架11中心的长度m为8mm，第二缺口宽度g为1.7mm；所述凹槽距变形的耶路撒冷十字架11中心的距离e＝5mm，凹槽外侧边线高度n＝1.7mm、宽度f＝2.5mm。所述交叉十字的臂长l的改变，会导致谐振点的偏移，通过调节l的长度，使得谐振点调节到S，X波段。
作为一种优选方案，所述上介质层1的厚度为4.8mm，电阻层2的厚度为0.5mm，下介质层3的厚度为2mm。
作为一种优选方案，所述上介质层1和下介质层3的介电常数都为4.3，损耗角正切值为0.02，中间电阻层2的介电常数为4.72。
作为一种优选方案，所述电阻层2上表面电阻薄膜12的阻值50Ω，用于增强低频带的吸波能力，从而实现低频的目标RCS特性的大幅度调控。
作为一种优选方案，通过FPGA对每个动态伪装超表面单元加载不同的偏置电压进行单独调控，从而使得动态伪装超表面单元阵列具有设定的排列顺序，实现对目标雷达散射截面的动态调控，实现动态伪装的效果。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例中，通过给不同的超表面单元加载不同的偏置电压，使两种单元按照特定的比例排布成超表面阵列，从而实现大面积铺覆该阵列结构后目标RCS特性的大幅度变化，下面结合附图对本发明进行进一步说明。
结合图1(a)～(d)，本发明选用在不同偏置电压下呈现完全吸收和完全反射的电可调谐的动态伪装超表面单元，表面金属结构是由带缺口的圆环、变形的耶路撒冷十字架和PIN管组成，印制在上层介质1上，厚度为4.8mm，介电常数为4.3，圆环和耶路撒冷十字架上四个对称分布的缺口用以加载PIN管，中间电阻层2是在介电常数4.72的介质基板上印制50Ω的电阻薄膜12，下介质层3，厚度为2mm，介电常数为4.3，背面为金属，通过金属过孔与上层中心圆环相连，用于为PIN二极管提供偏置电压。
所述动态伪装超表面单元的结构周期为25mm，圆环外半径r为12.3mm，圆环宽度为1.3mm，金属过孔半径为0.5mm，圆环上的第一缺口宽度g为1.7mm。
所述延伸结构从第三金属通孔中心至LED二极管的距离d为10.2mm，第三金属过孔中心、第四金属过孔中心之间的距离c为11.65mm，LED二极管用于观测对应动态伪装超表面单元的调控状态。
所述十字架臂长l＝10.2mm，臂宽p＝1mm，十字架上的第二缺口距变形的耶路撒冷十字架11中心的长度m为8mm，第二缺口宽度g为1.7mm；所述凹槽距变形的耶路撒冷十字架11中心的距离e＝5mm，凹槽外侧边线高度n＝1.7mm、宽度f＝2.5mm。所述交叉十字的臂长l的改变，会导致谐振点的偏移，通过调节l的长度，使得谐振点调节到S，X波段。
图2是PIN二极管呈现断开状态(OFF)下，改变交叉十字的臂长L所对应单元的反射系数，当随着臂长L的不断增长，S波段的谐振频率往低频移动，X波段的谐振点基本不发生偏移。
图3是PIN二极管呈现导通状态(ON)下，改变交叉十字的臂长L所对应单元的反射系数，当随着臂长L的不断增长，S波段的谐振频率基本不发生偏移，X波段的谐振点往高频移动。
图4是16×16双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面阵列的结构示意图。
图5是图1所示的电可调谐的动态伪装超表面单元的幅频曲线图。当正向偏置电压为1.4V时，PIN二极管呈现导通状态；当反向偏置电流为50nA时，PIN二极管呈关断状态。如图5所示，在3.5GHz、10.5GHz处，动态伪装超表面单元在PIN二极管处于断开(OFF)与导通(ON)两种状态时，呈现全吸收与全反射两种状态。
图6给出了3.5GHz时，电控吸波阵列的双站RCS仿真结果。对应于PIN二极管呈现全部断开状态时，金属平板对应的峰值RCS为28.01dB，动态伪装超表面阵列对应的峰值RCS为26.25dB，RCS缩减量为1.8dB。
图7给出了3.5GHz时，电控吸波阵列的双站RCS仿真结果。对应于PIN二极管呈现全部导通状态时，金属平板对应的峰值RCS为28.01dB，动态伪装超表面阵列对应的峰值RCS为2.25dB，RCS缩减量为25.76dB。
图8给出了3.5GHz时，电控吸波阵列的双站RCS仿真结果。对应于PIN二极管一半导通状态和一半断开状态时，金属平板对应的峰值RCS为28.01dB，动态伪装超表面阵列对应的峰值RCS为17.01dB，RCS缩减量为11dB。
图6、图7和图8的仿真结果展示了所设计的电控超表面阵列对于3.5GHz波段雷达能够实现对目标散射截面的动态调控。
图9给出了10.5GHz时，电控吸波阵列的双站RCS仿真结果。对应于PIN二极管呈现全部断开状态时，金属平板对应的峰值RCS为36.60dB，电控吸波体对应的峰值RCS为23.15dB，RCS缩减量为13.45dB
图10给出了10.5GHz时，电控吸波阵列的双站RCS仿真结果。对应于PIN二极管呈现全部导通状态时，金属平板对应的峰值RCS为36.60dB，电控吸波体对应的峰值RCS为6.78dB，RCS缩减量为29.82dB
图9、图10的仿真结果展示了所设计的电控超表面阵列对于10.5GHz波段雷达能够实现对目标散射截面的动态调控。
图11(a)～(b)是实际加工的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面阵列的结构示意图。
本发明能够通过FPGA对动态伪装超表面阵列进行调控实现RCS的快速变化，且具有工艺简单、成本低、重量轻的优点。

Claims (9)

1.一种双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，包括多个动态伪装超表面单元，且各个动态伪装超表面单元周期性地排列在介质基板上构成阵列，所述每个动态伪装超表面单元包括由上到下依次设置的上介质层(1)、电阻层(2)和下介质层(3)；
所述上介质层(1)的上表面设置有带缺口圆环、变形的耶路撒冷十字架(11)和PIN二极管，带缺口圆环包括两个对称设置的第一缺口，变形的耶路撒冷十字架(11)设置于带缺口圆环的内部，且四根支架上分别设置一个第二缺口，形成四个对称分布的第二缺口，所述两个第一缺口分别设置于相邻两个支架的中间位置；每个第一缺口、第二缺口对应的位置分别设置一个PIN二极管；所述变形的耶路撒冷十字架(11)中心位于带缺口圆环的圆心位置，且该圆心位置设置第一金属过孔，带缺口圆环上设置第二、第三金属过孔，该两个金属过孔所在直线垂直于两个第一缺口所在直线；
所述电阻层(2)的上表面设置有电阻薄膜(12)；
所述下介质层(3)的下表面为金属板(33)。
2.根据权利要求1所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，沿着圆环上第三金属过孔向外且与圆环相切的方向设置延伸结构，且该延伸结构的末端与LED二极管的一端连接，LED二极管的另一端设置第四金属过孔，第三、第四金属过孔用于导通LED二极管。
3.根据权利要求2所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，所述动态伪装超表面单元的结构周期为25mm，圆环外半径r为12.3mm，圆环宽度为1.3mm，金属过孔半径为0.5mm，圆环上的第一缺口宽度g为1.7mm。
4.根据权利要求2或3所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，所述延伸结构从第三金属通孔中心至LED二极管的距离d为10.2mm，第三金属过孔中心、第四金属过孔中心之间的距离c为11.65mm，LED二极管用于观测对应动态伪装超表面单元的调控状态。
5.根据权利要求4所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，所述变形的耶路撒冷十字架(11)，具体为：在耶路撒冷十字架上设置凹槽，用于增加十字架的有效电长度，从而实现谐振点的调控；所述十字架臂长l＝10.2mm，臂宽p＝1mm，十字架上的第二缺口距变形的耶路撒冷十字架(11)中心的长度m为8mm，第二缺口宽度g为1.7mm；所述凹槽距变形的耶路撒冷十字架(11)中心的距离e＝5mm，凹槽外侧边线高度n＝1.7mm、宽度f＝2.5mm。
6.根据权利要求1或5所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，所述上介质层(1)的厚度为4.8mm，电阻层(2)的厚度为0.5mm，下介质层(3)的厚度为2mm。
7.根据权利要求6所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，所述上介质层(1)和下介质层(3)的介电常数都为4.3，损耗角正切值为0.02，中间电阻层(2)的介电常数为4.72。
8.根据权利要求1或7所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，所述电阻层(2)上表面电阻薄膜(12)的阻值50Ω。
9.根据权利要求8所述的双频点电磁特征主动电可调的动态伪装超表面，其特征在于，通过FPGA对每个动态伪装超表面单元加载不同的偏置电压进行单独调控，从而使得动态伪装超表面单元阵列具有设定的排列顺序，实现对目标雷达散射截面的动态调控。
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