CN111048908B - 一种光学透明型宽带超表面Salisbury屏吸波结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学透明的宽带背向雷达散射截面(RCS)缩减的超表面吸波结构设计方法。该吸波结构在4.1‑18.4GHz波段内，均能实现10dB以上的RCS缩减。该超表面由具有高透光率的导电铟锡氧化物(ITO)和石英玻璃(SiO2)材料制作而成，通过设计特定单元的超表面将相位梯度引入经典的Salisbury屏，从而实现对其谐振频率的调控，以获得连续性的谐振吸波带宽，实现超宽带的背向RCS缩减。该吸波结构具有高透光率、超宽带吸波、结构简单、在斜入射时仍保持较好的吸波特性等优势，吸波带宽几乎覆盖了经典Salisbury屏的两个吸波峰频段，光学透明材料的应用使得该吸波结构在需要实现电磁隐身的视窗上得到广泛应用。

Description

一种光学透明型宽带超表面Salisbury屏吸波结构设计方法
技术领域：
本发明涉及一种光学透明的宽带背向雷达散射截面(RCS)缩减的超表面吸波结构设计方法，属于人工电磁超材料领域，涉及一种光学透明的超表面吸波结构，具有在光波段透明，同时在设计的微波波段内实现背向雷RCS缩减的功能。
背景技术：
实际应用中调控电磁波的吸波材料，主要是利用结构的电磁谐振耦合或者材料损耗来吸收电磁波，Salisbury屏是一种基于电磁谐振原理的吸波器，经典的Salisbury屏由电阻膜、介质和理想导体三层结构组成。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的新型材料，在电磁波调控方面具有天然材料不具备的卓越性质。超表面是人工电磁超材料的二维形式，是同样具有调控电磁波能力的二维平面结构。本发明中涉及的电磁超表面利用不同参数和形状的单元结构，通过四种不同超单元引入的四种不同相位变化来分别调整Salisbury屏的谐振频率，进一步通过算法优化每种超单元的比例及空间分布来构成存在多谐振的超表面，这样结合了超表面的Salisbury屏的电磁波反射率能够在期望频段内连续地保持较低水平，通过吸波达到一个良好的缩减背向散射的效果。该光学透明的超表面Salisbury屏可在工作频段内起到电磁隐身的效果，结构简单易制作，具有良好的工程应用前景。
发明内容：
发明目的：本发明提出一种光学透明的宽带背向雷达散射截面(RCS)缩减的超表面吸波结构设计方法，该吸波结构由设计的随机超单元组成的超表面与经典Salisbury屏结合而成。这种吸波结构大大拓宽了经典Salisbury屏的吸波带宽，在设计的较宽的微波频带内能有效降低目标物体雷达散射截面且在光学波段具有高透明度，在同时需要电磁波背向散射抑制和视觉观察的视窗应用方面具有极大潜力。
技术方案：本发明所述的光学透明宽带吸波结构由经典Salisbury屏和设计的超表面结合而成，分为上层ITO电阻膜层、中间导电ITO图案层、底层ITO导电膜(图1中标记为1， 2，3)以及起支撑作用的石英玻璃层。其中ITO电阻膜层表面电阻为377Ω/□，图案层及导电层的表面电阻均为6Ω/□。图案层ITO超表面由设计的四种不同超单元以及空白单元按一定的比例随机分布而成，不同的超单元给经典Salisbury屏引入了不同的相位变化，使得谐振频率发生不同程度的偏移。这样对应着不同谐振频率的超单元若组合在一起，通过优化算法得到每种超单元的最佳比例，形成的超表面便能使Salisbury屏在一定宽度的频段内发生连续性吸波，大大拓宽了原本周期性的吸波带宽。随后，将每种超单元分别组合成2×2的超胞单元再进行10×10的随机排布，最后再进行一定的排布优化得到最佳吸波效果的超表面 Salisbury吸波结构。
有益效果：1、在4.1GHz到18.4GHz宽带范围内，本发明设计的超表面吸波结构均能实现背向雷达散射降低大于10dB的功能；2、本发明设计的吸波结构具有光学透明、结构简单易于设计、超薄、极化不敏感等特性，具有巨大应用潜力；3、本发明提供的超表面吸波结构设计方法为设计利用宽带吸波实现雷达散射截面缩减的超表面提供了一种可行的方案。
附图说明：
图1(a)为所采用的五种超单元的示意图，图1(b)为超表面吸波结构的整体示意图；
图2(a)至(e)分别为每种超单元在工作频段内对应的反射频谱响应和相位曲线，图2 (f)为该超表面吸波结构样品分别在x极化和y极化横电波平面波正入射照射下的背向RCS 缩减带宽的测量结果与仿真结果的对比；
图3分别是超表面吸波结构样品在横电波(TE)模式极化的平面波斜入射照射下，(a)x 方向和(b)y方向的镜像RCS缩减测量图，以及在横磁波(TM)模式极化的平面波斜入射下，在(c)x方向和(d)y方向的实镜像RCS缩减测量图；
图4是本发明的超表面吸波结构样品在(a)x极化和(b)y极化正入射电磁波照射下的远场背向散射方向测量图。
具体实施方式：
下面结合附图，通过具体的实例详细说明本发明的技术方案。
图1(b)是整体吸波结构图，由上层涂覆着电阻膜层的玻璃以及下层涂覆着图案层和导电膜的玻璃构成，整体呈现高透光率特性。图1(a)分别展示了所采用的五种超单元的具体结构，采用了边长从3mm到11mm的不同结构的单元，具体地，单元结构分别为圆形、耶路撒冷十字、十字和方形。图2分别展示了每种单元结构在工作频段的相位和幅度仿真图，当相位满足了如图中虚线所示
Figure RE-GSB0000178009960000021
的谐振条件时，结构发生谐振产生吸波，对应频点出现吸波峰。在工作频段范围内，五种单元的谐振频率呈现均匀分布，按优化算法得到每种单元组合的最优配比，能够调整得到具有宽带吸波的超表面，拓宽经典 Salisbury屏的吸波带宽。具体实现方法如下：选择光学透明的电阻膜、导电膜以及介质基底——ITO导电氧化物薄膜和玻璃——进一步对整体结构进行仿真和实验测量，其中，ITO的电导率是6.76×105S/m，厚度为180nm，电阻膜层和导电层的表面阻抗为377Ω/□和6Ω/□，玻璃的相对介电常数为4.1，损耗角正切为0.015，上下两层玻璃厚度分别为O.4和3.1mm，玻璃之间以高度为3.5mm的支架支撑，整体吸波结构的厚度仅为7mm。如图2(f)所示，对实际制作的吸波结构样品进行了实验测量，在x极化和y极化横电波正入射电磁波照射下，该样品的背向RCS缩减带宽的实际测量值与仿真结果接近，都能在4.1GHz到18.4GHz宽带范围内保持10dB以上。进一步测量在TE和TM极化的入射波照射下，不同斜入射角度(5 度到55度)时，双站雷达散射截面缩减值的实验结果(如图3所示)。当斜入射角度小于35 度时，样品的背向散射缩减效果都能较好地保持。图4是在电磁波正入射情况下，实验测量的超表面样品分别在x和y方向的背向散射方向图，测量结果均表明在工作频带内各方向的背向散射缩减值均在10dB以上，表现了该吸波结构对入射电磁波极化不敏感的特性。
通过结合所设计的超表面，经典的Salisbury屏原有的周期性吸波峰的带宽得到了极大拓展，吸波带宽几乎覆盖了经典的两个吸波峰频段，由于本发明的设计工作是基于光学透明材料进行的，使得该吸波结构可以在需要实现电磁隐身的视窗上得到广泛应用。
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)

1.一种光学透明的宽带背向雷达散射截面(RCS)缩减的超表面吸波结构设计方法，基于光学透明氧化铟锡(ITO)材料的良好导电特性，设计与超表面结合的Salisbury屏吸波结构，得到超表面吸波结构；所述超表面吸波结构包括随机超单元组成的超表面和Salisbury屏；所述超表面吸波结构由上层ITO电阻膜层、中间导电ITO图案层、底层ITO导电膜以及起支撑作用的石英玻璃组成；所述中间导电ITO图案层为所述超表面；所述超表面由设计的四种不同超单元以及空白单元按比例随机分布而成，不同的超单元给Salisbury屏引入了不同的相位变化，使得谐振频率发生不同程度的偏移，所述四种不同超单元分别为圆形、耶路撒冷十字、十字和方形；通过优化算法得到每种超单元的最佳比例。
2.根据权利要求1所述的一种光学透明的宽带背向雷达散射截面(RCS)缩减的超表面吸波结构设计方法，采用高透光率材料来替代传统的非透明的金属和介质基板，超表面吸波结构在可见光波段呈高透明，所述超表面吸波结构应用范围因此得以拓宽，兼具缩减雷达散射截面性能及光学透视的视窗。
3.根据权利要求1所述的一种光学透明的宽带背向雷达散射截面(RCS)缩减的超表面吸波结构设计方法，特征在于将结构简单的Salisbury屏吸波结构，与超表面进行设计结合，利用超表面的相位调控特性来实现多谐振实现宽带吸收。
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