CN111048906B - 一种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置，旨在改善低频低散射装置剖面高、带宽窄的问题。本发明由金属圆柱和柔性超表面组成；所述柔性超表面包含柔性介质层和设置在柔性介质层外表面的共形超表面结构层，其中共形超表面结构层是由一圈金属结构沿圆柱的轴线方向进行有限周期延拓构成，每圈金属结构由一系列结构完全相同且沿圆周方向周期排布的金属贴片通过三条金属窄带线连接构成。本发明施例的低散射超表面装置可以降低电大或电小尺寸金属目标的散射，同时具备了工作频带宽、超薄、易共形、结构简单、制备成本低等优点。

Description

一种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置
技术领域：
本发明属于人工电磁超材料领域，具体涉及一种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置。
背景技术：
近年来，低散射装置的设计工作由于其重要的军事应用价值引起了科学界的越来越广泛的关注，其中一项关键的技术挑战在于如何降低雷达散射截面(Radar-CrossSection，RCS)。
传统的低散射装置主要是依靠外形结构或加载雷达吸波材料来实现RCS的缩减，但是这类低散射装置的设计、制备难度大，体积通常也不小。近年来，超材料由于其能够对电磁波进行任意调控且具有损耗小、剖面低、工作带宽宽等特性引起了科学界及工业界的广泛关注。而利用超材料进行低散射装置的设计也因此成为了热门的研究课题。然而，到目前为止，绝大多数已报道的低散射超表面装置均难以在保证装置剖面足够低的前提下，在较宽的频带范围内实现对目标物的RCS有效缩减。
因此，从现实应用的角度出发，亟需探索一种加工难度小、成本低的新设计方案，在保持隐身装置的低剖面的同时，能够有效地实现宽频隐身功能，拓宽背向雷达散射截面积(Radar-Cross Section，RCS)的缩减带宽。
发明内容：
本发明的目的是提供了一种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置，旨在改善低频低散射装置剖面高、带宽窄的问题。通过合理设计金属贴片单元结构，使本发明低散射超表面装置能够工作在较宽频带范围内。采用三条平行的金属窄带线进行连接，最终实现该低散射超表面装置工作频带的拓宽。当电场方向平行于圆柱轴线的TE极化波沿着与圆柱轴线正交的方向入射时，该低散射超表面装置可在厚度小于0.014λ0(λ0为所述低散射超表面装置中心工作频率对应的自由空间波长)的情况下，保证RCS的-10-dB缩减带宽大于9％，且无论目标是电大尺寸还是电小尺寸的金属物体，均具有良好的低散射效果。
本发明采用以下方案实现：一种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置，所述低散射超表面装置由金属圆柱和柔性超表面组成；所述柔性超表面包含底层柔性介质层和顶层共形超表面结构层。
在一些实施例中，所述共形超表面结构层是由一圈金属结构沿圆柱的轴线方向进行有限周期延拓构成，且每圈金属结构中心之间的间距为90mm；所述每圈金属结构由N个结构完全相同的金属贴片沿圆柱面圆周方向进行周期排布实现，具体地，金属贴片单元关于金属圆柱轴线沿圆周方向依次旋转角度2π/N，从而实现周期排布；所述每圈金属结构中相邻的金属贴片单元通过三条金属窄带线进行连接；所述金属窄带线每条长度为22mm，宽度为1.5mm，两条金属窄带线中心间隔为3.2mm；所述金属贴片单元包括一个“工”字型金属贴片及设置在所述“工”字型金属贴片上、下边沿的两排结构完全相同的锯齿结构；所述“工”字型金属贴片由一个尺寸为80mm×2.3mm的矩形贴片连接两个尺寸分别为101.5mm×18.5mm以及110mm×58mm的矩形贴片构成；所述每排锯齿结构关于所述“工”字型金属贴片中心呈现轴对称排布，具体地，由9个尺寸为2mm×2.6mm的小矩形贴片排列组成，相邻两个小矩形贴片中心之间的距离为5mm。
在一些实施例中，所述柔性介质层的相对介电常数范围为2-5，相对磁导率范围为1-5，介质损耗角正切tanσ＜0.1，厚度小于0.014λ0(λ0为所述低散射超表面装置中心工作频率对应的自由空间波长)，高度与金属圆柱相同，其自然伸展，将金属圆柱紧紧包裹；所述金属贴片单元中的所有金属均为铜。
与现有技术相比，本发明公布的这种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置可以有效降低电大或电小尺寸金属目标的散射，同时具备了工作频带宽、超薄、易共形、结构简单、制备成本低等优点，且针对目标工作频段的不同，可等比例缩放所述低散射超表面装置，灵活设计所述低散射超表面装置的工作频段，具有较好的应用前景。
附图说明：
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的一圈金属结构示意图。
图3是本发明的金属贴片单元和金属窄带线结构示意图。
图4是加载了低散射超表面装置的金属圆柱相较于同等尺寸的裸金属圆柱的背向RCS缩减曲线。
图5是裸金属圆柱和带有低散射超表面装置圆柱时的电场分布图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1至图3所示，本实例包括一根高为324mm和半径为82mm的金属圆柱1、厚度为2mm的柔性介质层2和刻蚀于柔性介质层外表面的金属共形超表面结构层3。本实例中的共形超表面结构层3由9圈结构完全相同的金属结构31沿圆柱的轴线方向进行周期延拓构成，每圈金属结构31中心之间的间距为90mm；所述每圈金属结构由10个结构完全相同的金属贴片单元311沿圆柱面圆周方向进行周期排布实现，金属贴片单元311在圆周方向上依次旋转角度2π/10，每圈金属结构31中相邻的金属贴片单元311通过三条金属窄带线312进行连接。本实例中的每条金属窄带线312长度为22mm，宽度为1.5mm，相邻两条金属窄带线312的中心间隔为3.2mm。本实例中的金属贴片单元311包括一个“工”字型金属贴片、设置在所述“工”字型金属贴片上边沿的锯齿结构3114a以及设置在所述“工”字型金属贴片下边沿的锯齿结构3114b，且两排锯齿结构(3114a、3114b)结构完全相同；本实例中的“工”字型金属贴片由一个尺寸为80mm×2.3mm的第一矩形贴片3111连接尺寸为101.5mm×18.5mm的第二矩形贴片3112以及尺寸为110mm×58mm的第三矩形贴片3113构成；本实例中的每排锯齿结构(3114a、3114b)均由9个尺寸为2mm×2.6mm的小矩形贴片排列组成，相邻两个小矩形贴片中心之间的距离为5mm，且关于所述“工”字型金属贴片中心呈现轴对称排布。
采用电矢量平行于圆柱轴线的TE极化波沿着与圆柱轴线正交的方向入射到目标物体，图4是加载了本实施例低散射超表面装置的金属圆柱相较于同等尺寸的裸金属圆柱的背向RCS缩减仿真曲线，可以看出该超薄低散射超表面装置的中心工作频率为1.97GHz，-10-dB背向RCS缩减带宽为1.88-2.06GHz，相对带宽可以达到9.14％。图5(a)和(b)分别是裸金属圆柱和加载有低散射超表面装置的圆柱的电场分布图，通过对比图5(a)和(b)，可发现没有加载低散射超表面装置时，裸金属圆柱的右侧区域由于其自身遮挡，存在明显的阴影，电场分布收到了明显的扰动，而加载低散射超表面装置后，原本被遮挡的阴影区域恢复为趋近于平面波的情形，电场分布被恢复到与无目标物时相似的场分布，实现了较好的降低散射的效果。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，同样的结构可以通过等比例缩放所述低散射超表面装置的尺寸，灵活设计所述低散射超表面装置的工作频段，甚至可直接扩展到毫米波波段、红外、太赫兹以及可见光波段。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 (2)

1.一种微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置，其特征在于，本发明提供的低散射超表面装置由金属圆柱（ 1） 和柔性超表面组成；所述柔性超表面包含底层柔性介质层（ 2） 和顶层共形超表面结构层（ 3） ；
所述共形超表面结构层是由多圈金属结构沿圆柱的轴线方向进行有限周期延拓构成；
所述每圈金属结构由N个结构完全相同的金属贴片沿圆柱圆周方向进行周期排布实现，具体地，金属贴片单元关于金属圆柱轴线沿圆周方向依次旋转角度2π/N，从而实现周期排布；所述每圈金属结构中相邻的金属贴片通过三条金属窄带线进行连接；
所述金属贴片单元包括一个“工”字型金属贴片及设置在所述“工”字型金属贴片上、下边沿的两排结构完全相同的锯齿结构；所述“工”字型金属贴片由一个尺寸为80mm×2.3mm的矩形贴片连接两个尺寸分别为101.5mm×18.5mm以及110mm×58mm的矩形贴片构成；所述每排锯齿结构关于所述“工”字型金属贴片中心呈现轴对称排布。
2.根据权利要求1所述的微波波段的超薄宽带共形低散射超表面装置，其特征在于，所述柔性介质层的相对介电常数范围为2-5，相对磁导率范围为1-5，介质损耗角正切tanσ＜0.1，厚度小于0.014λ0，λ0为所述低散射超表面装置中心工作频率对应的自由空间波长，高度与金属圆柱相同，其自然伸展，将金属圆柱紧紧包裹。
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