CN112436288A - 基于相位相消和阻抗吸波的超宽带rcs缩减方法及结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法及结构，属于电磁隐身与天线技术领域，首先构建棋盘结构，其中，所述棋盘结构由两种反射相位不同的棋盘单元斜对角排列构成；然后，构建频率选择表面吸波体，其中，所述频率选择表面吸波体由周期型频率选择表面和集总电阻元件加载构成；最后，将所述棋盘结构放置于所述频率选择表面吸波体之上构成目标结构，其中，所述棋盘结构与所述频率选择表面吸波体的工作带宽相邻。通过本发明结合棋盘结构的相位相消与频率选择表面吸波体的阻抗吸波机理，实现了工作频段的叠加。

Description

基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法及结构
技术领域
本发明属于电磁隐身与天线技术领域，更具体地，涉及一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法及结构。
背景技术
电磁隐身技术是一种通过减小军事目标对雷达的有效散射截面，实现缩短敌方雷达探测距离的方法，该方法极大地提升了己方武器平台的突防能力和生存力。目标的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)大小是目标电磁散射特性的重要指标，RCS的缩减即意味着雷达天线探测距离的相应减小。根据雷达方程，最大探测距离与目标RCS的四次方根成正比关系。在RCS缩减10dB的情况下，雷达的探测距离将减小为原来的56％。因此，电磁隐身技术的核心在于采用有效的方法来降低目标的RCS大小。
RCS缩减方法主要包括外形设计和材料吸波两种类型。第一种通过外形优化将散射电磁波偏转到其它方向上，使得回波能量尽可能少地进入敌方雷达接收角域范围，但该方法会降低武器装备的气动性能，并且某一方向上RCS的减小必然会导致另一方向上RCS的增大；第二种是利用特殊材料或结构，将入射电磁波转化为热能、化学能等其它形式的能量。实际应用中，该方法存在带宽较窄、吸收强度较低等缺点，且受限于吸波材料的重量、体积等。随着雷达探测设备工作频段逐渐变宽，常规RCS缩减方法在宽频带雷达波探测下将变得更加困难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法及结构，实现了超宽带RCS缩减性能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法，包括：
构建棋盘结构，其中，所述棋盘结构由两种反射相位不同的棋盘单元构成，每一种棋盘单元周期排列后均以斜对角线分布；
构建频率选择表面吸波体，其中，所述频率选择表面吸波体由周期型频率选择表面和集总电阻元件加载构成；
将所述棋盘结构放置于所述频率选择表面吸波体之上构成目标结构，其中，所述棋盘结构与所述频率选择表面吸波体的工作带宽相邻。
在一些可选的实施方案中，由周期分布的铜箔方框组成第一棋盘单元，由周期分布的铜箔圆片组成第二棋盘单元，由所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元均以斜对角线分布，以构成所述棋盘结构。
在一些可选的实施方案中，所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元的周期均不大于对应单元的一个工作波长，所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元的总边长均不小于对应单元的一个工作波长。
在一些可选的实施方案中，所述周期型频率选择表面为周期分布的铜箔方框，在各方框的四条边中间位置处均设置具有一定宽度的缝隙，在缝隙中间焊接集总电阻元件，以构成所述频率选择表面吸波体。
在一些可选的实施方案中，所述频率选择表面吸波体中的周期分布的铜箔方框的周期不大于频率选择表面吸波体的一个工作波长。
在一些可选的实施方案中，位于上层的棋盘结构和下层的频率选择表面吸波体总边长大小相同，均不小于对应结构的两个工作波长。
在一些可选的实施方案中，所述棋盘结构附着于第一介质衬底上方，所述频率选择表面吸波体附着于第二介质衬底上方，在所述第二介质衬底之下为金属背板，在所述第一介质衬底与所述频率选择表面吸波体之间及所述第二介质衬底与所述金属背板之间均为空气隔层。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减结构，包括：依次堆叠的棋盘结构和频率选择表面吸波体；
其中，所述棋盘结构由两种反射相位不同的棋盘单元以斜对角线排列构成，所述频率选择表面吸波体由周期型频率选择表面和集总电阻元件加载构成，且所述棋盘结构与所述频率选择表面吸波体的工作带宽相邻。
在一些可选的实施方案中，由周期分布的铜箔方框组成第一棋盘单元，由周期分布的铜箔圆片组成第二棋盘单元，由所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元均以斜对角线分布，以构成所述棋盘结构。
在一些可选的实施方案中，所述周期型频率选择表面为周期分布的铜箔方框，在各方框的四条边中间位置处均设置具有一定宽度的缝隙，在缝隙中间焊接集总电阻元件，以构成所述频率选择表面吸波体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明采用基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法，利用不同结构相邻工作带宽叠加的方式，实现RCS缩减频段范围的扩展；结合两种不同的RCS缩减机理设计不同结构：具有相位相消干涉效应的棋盘结构，以及欧姆阻抗吸波的频率选择表面吸波体；通过将各部分结构上下层堆叠构成整体组合结构，优化各部分几何参数，使得两者工作频段相互叠加重合，整体结构的工作频段为两部分结构的带宽之和。通过上述方案，将不同的RCS缩减机理结合，采用不同结构相邻工作带宽产生叠加效应，结构简单，实现了超宽带RCS缩减性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有相位相消干涉效应的棋盘结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种两种棋盘单元示意图，其中，(a)为第一种棋盘单元：方框，(b)为第二种棋盘单元：圆片；
图3是本发明实施例提供的一种棋盘结构的反射相位和两种单元的相位差，其中，(a)为反射相位，(b)为相位差；
图4是本发明实施例提供的一种棋盘结构的RCS缩减图；
图5是本发明实施例提供的一种频率选择表面吸波体单元示意图；
图6是本发明实施例提供的一种频率选择表面吸波体的RCS缩减图；
图7是本发明实施例提供的一种整体组合结构示意图，其中，(a)为剖视图，(b)为侧视图；
图8是本发明实施例提供的一种整体组合结构RCS缩减图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实施例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
本发明提出的基于相位相消和阻抗吸波组合的超宽带(相对带宽大于60％)RCS缩减方法，该方法解决了常规RCS缩减作用机理单一的问题，采用不同结构相邻工作带宽叠加的方式，分别设计具有相位相消干涉效应的棋盘结构，以及欧姆阻抗吸波的频率选择表面吸波体，将两部分结构上下层堆叠构成整体组合结构，合理设置各部分几何参数，使得两者工作频段相互叠加延展，整体结构的工作频段为两部分结构的带宽之和，表现为超宽带RCS缩减效果。通过本发明将相位相消的散射空间扩展效应与欧姆阻抗吸波效应有效组合，采用叠加方式扩展整体组合结构的工作带宽，可用于降低目标散射特性、提升电磁隐身性能等领域。
以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
(1)首先采用时域有限差分法电磁仿真分析棋盘结构的反射幅度和相位频响特性。棋盘结构由两种反射相位不同的棋盘单元斜对角排列构成。利用不同棋盘单元之间的相位差特性，使得电磁波产生相位相消干涉，抑制来波方向的电磁波，使其向其它的方向散射，实现电磁能量的空间扩展，从而达到减小目标镜像方向上RCS的目的。RCS缩减大小由两种棋盘单元的反射相位差决定，若实现棋盘结构的RCS缩减10dB以上，两种棋盘单元反射相位差的绝对值应满足：
Figure BDA0002755861290000051
其中，
Figure BDA0002755861290000052
和
Figure BDA0002755861290000053
分别为两种棋盘单元的反射相位，范围为0°～360°。通过软件仿真优化两种棋盘单元的几何参数，使得两者在第一频段内满足上式所述的有效反射相位差。
如图1所示为本发明实施例提供的具有相位相消干涉效应的棋盘结构示意图，其中，每一种棋盘单元周期排列后均以斜对角线分布，两种棋盘单元不同的反射相位特性决定了空间散射场叠加效果。当两种棋盘单元的反射幅度相同、反射相位相差180°时，棋盘结构的散射场在镜像方向上的能量为0。进一步地，研究表明，当两种棋盘单元的反射差绝对值位于143°和217°之间时，镜像上RCS缩减10dB以上。
进一步地，棋盘结构由周期分布的铜箔方框和铜箔圆片两类结构组成两种棋盘单元，由周期分布的铜箔方框组成第一棋盘单元，由周期分布的铜箔圆片组成第二棋盘单元，且第一棋盘单元和第二棋盘单元以斜对角的方式排列，附着于第一介质衬底(如聚四氟乙烯玻璃布(F4B))上方。第一棋盘单元和第二棋盘单元的周期均不大于对应单元的一个工作波长，第一棋盘单元和第二棋盘单元的总边长均不小于对应单元一个工作波长。
进一步地，第一棋盘单元和第二棋盘单元采用的铜箔的厚度为6～20μm。
进一步地，第一介质衬底使用的聚四氟乙烯玻璃布材料的介电常数小于3，介电损耗小于0.006。
如图2所示，图2中(a)为棋盘结构的第一棋盘单元方框结构，第一棋盘单元周期(其中，周期表示相邻单元几何中心的间距，即一个单元的总边长)为6mm，铜箔方框的外边界间距为4mm，铜箔方框宽度为0.6mm。图2中(b)为棋盘结构的第二棋盘单元圆片结构，第二棋盘单元周期为6mm，铜箔圆片直径为1.8mm。图3为两种棋盘单元组合的反射相位和相位差的绝对值。其中，图3中(a)为棋盘结构的反射相位，图3中(b)为两种棋盘单元的相位差绝对值。从图3中可以看出，在14.6～36.5GHz频段内，方框与圆片的相位差可保持在143°至217°范围。对应地在图4中，棋盘结构的RCS缩减10dB以上的频段范围，为14.6～36.5GHz。
(2)同样采用全波电磁计算方法仿真分析频率选择表面吸波体在第二频段的反射频响特性。为实现带宽叠加效果，第一频段和第二频段应相邻。频率选择表面吸波体由常规的周期型频率选择表面和集总电阻元件加载构成，其吸波的主要来源由加载集总电阻的欧姆损耗吸波产生。通过优化频率选择表面的单元几何参数和集总电阻数值大小，使得吸波体的RCS缩减大小在第二频段内满足低于设定的数值，与第一频段的RCS缩减大小一致。
其中，频率选择表面吸波体由周期分布的铜箔方框附着于第二介质衬底(如玻璃纤维板(FR4))上方，最底层为尺寸相同的金属背板。在方框的四条边中间位置处均设置具有一定宽度的缝隙，在缝隙中间焊接集总电阻元件。频率选择表面吸波体中铜箔方框的周期不大于频率选择表面吸波体的一个工作波长。
进一步地，第二介质衬底使用的玻璃纤维板的介电常数小于4.6，介电损耗小于0.03。
图5为本发明实施例提供的频率选择表面吸波体单元结构。单元周期为9mm，铜箔单元为四边各开缝隙的方框，其中方框的外边界间距为7.8mm，方框宽度为1.8mm，缝隙宽度为1mm。在四个缝隙中间位置处，各加载焊接一个集总电阻元件，器件封装为0603，电阻值为150Ω。频率选择表面吸波体的RCS缩减频响曲线如图6所示，在5.2～12.5GHz范围内，RCS缩减10dB以上。
(3)将上层的棋盘结构与下层的频率选择表面吸波体上下堆叠，构成整体组合结构。优化检验上层的棋盘结构在第二频段内表现为高透射特性，从而电磁波能够从上层透射被下层的频率选择表面吸波体吸收损耗；下层的频率选择表面吸波体在第一频段内表现为全反射特性，为上层的棋盘结构提供所需的金属背板作用从而实现有效相位差。理论上，整体组合结构的RCS缩减频段范围，为上层棋盘结构的工作频段范围和下层频率选择表面吸波体的工作频段范围之和。
进一步地，位于上层的棋盘结构和下层的频率选择表面吸波体总边长大小相同，均不小于对应结构的两个工作波长。
进一步地，棋盘结构和频率选择表面、频率选择表面和金属背板之间设置有一定厚度的空气隔层，空气隔层的厚度可以由四根位于边角处的尼龙塑料柱和相应厚度的塑料垫片实现。
进一步地，通过整体组合结构仿真优化，实现具有带宽叠加效应的超宽带RCS缩减效果。
进一步地，将上层的棋盘结构和下层的频率选择表面吸波体堆叠，整体组合结构如图7所示。图7中(a)为整体组合结构的剖视图，其中，棋盘结构中的方框棋盘单元和圆片棋盘单元各450个，频率选择表面吸波体方框单元总共400个，集总电阻元件总共1600个。图7中(b)为整体组合结构的侧视图。从上至下，第一层为棋盘结构；第二层为F4B-2介质材料，厚度为0.5mm，介电常数为2.65，介电损耗为0.001；第三层为空气隔层，厚度为2mm；第四层为频率选择表面吸波体；第五层为FR4介质材料，厚度为1mm，介电常数为4.4，介电损耗为0.02；第六层为空气隔层，厚度为3mm；第七层为金属背板。
该整体组合结构的RCS缩减曲线如图8所示。RCS缩减10dB以上的频段范围为4.9～36.5GHz，相对带宽为153％，将棋盘结构和频率选择表面吸波体的工作频带叠加，实现了超宽带RCS缩减性能。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减方法，其特征在于，包括：
构建棋盘结构，其中，所述棋盘结构由两种反射相位不同的棋盘单元构成，每一种棋盘单元周期排列后均以斜对角线分布；
构建频率选择表面吸波体，其中，所述频率选择表面吸波体由周期型频率选择表面和集总电阻元件加载构成；
将所述棋盘结构放置于所述频率选择表面吸波体之上构成目标结构，其中，所述棋盘结构与所述频率选择表面吸波体的工作带宽相邻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由周期分布的铜箔方框组成第一棋盘单元，由周期分布的铜箔圆片组成第二棋盘单元，由所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元均以斜对角线分布，以构成所述棋盘结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元的周期均不大于对应单元的一个工作波长，所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元的总边长均不小于对应单元的一个工作波长。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期型频率选择表面为周期分布的铜箔方框，在各方框的四条边中间位置处均设置具有一定宽度的缝隙，在缝隙中间焊接集总电阻元件，以构成所述频率选择表面吸波体。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述频率选择表面吸波体中的周期分布的铜箔方框的周期不大于频率选择表面吸波体的一个工作波长。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于，位于上层的棋盘结构和下层的频率选择表面吸波体总边长大小相同，均不小于对应结构的两个工作波长。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述棋盘结构附着于第一介质衬底上方，所述频率选择表面吸波体附着于第二介质衬底上方，在所述第二介质衬底之下为金属背板，在所述第一介质衬底与所述频率选择表面吸波体之间及所述第二介质衬底与所述金属背板之间均为空气隔层。
8.一种基于相位相消和阻抗吸波的超宽带RCS缩减结构，其特征在于，包括：依次堆叠的棋盘结构和频率选择表面吸波体；
其中，所述棋盘结构由两种反射相位不同的棋盘单元以斜对角线排列构成，所述频率选择表面吸波体由周期型频率选择表面和集总电阻元件加载构成，且所述棋盘结构与所述频率选择表面吸波体的工作带宽相邻。
9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，由周期分布的铜箔方框组成第一棋盘单元，由周期分布的铜箔圆片组成第二棋盘单元，由所述第一棋盘单元与所述第二棋盘单元均以斜对角线分布，以构成所述棋盘结构。
10.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述周期型频率选择表面为周期分布的铜箔方框，在各方框的四条边中间位置处均设置具有一定宽度的缝隙，在缝隙中间焊接集总电阻元件，以构成所述频率选择表面吸波体。
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