CN112736479B - 一种宽带、宽角rcs减缩的极化转换复合超表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超材料，特别是一种宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构。本发明通过设计加载通孔的6种极化转换基本单元结构构成周期结构单元，然后将周期结构单元进行排布，使得极化转换效率在大角度斜入射条件下更为稳定，再结合极化转换和相位梯度两种机制组成复合型超表面后，实现了宽带、宽角的单站RCS减缩，在微波领域具有广泛的应用前景。与单纯的相位梯度超表面相比，本发明的反射相位能够覆盖0～2π，并且仅需设计一半的单元结构，再通过镜像对称即可得到反射相位在0～2π的单元结构，具有设计简单等特点；与其他超表面相比，能够在实现宽带RCS减缩的同时，还能在宽角范围内实现RCS减缩。

Description

一种宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构
技术领域
本发明涉及超材料，特别是一种宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构。
背景技术
雷达散射截面(RCS)减缩是减弱目标结构体对雷达探测波的散射，削弱雷达探测器对于目标结构体的探测能力，从而使得敌方雷达探测器战斗力大幅度降低。目前实现雷达散射截面减缩的主要方法有：改变外形实现隐身，加载雷达吸波材料实现隐身，采用无源结构体加载与目标结构体散射对消以及加载有源设备实现散射对消。随着新型电磁超材料的发展，由于其独特的电磁特性，使得电磁隐身技术有了更多的方法。
其中目前采用较多的方法是通过设计单元结构，将其排布为棋盘格的形式，利用极化转换机理，线极化入射波会转换为与入射波极化正交的反射波，当反射波幅值相等，相位相差 180°时，能够实现相位相消，使得目标体的RCS得以减缩，例如开口方环结构，椭圆结构等。或将单元结构设计为具有固定反射相位差的多个单元后，周期排列组成相位梯度超表面，利用空间波耦合为平面波使RCS得以减缩，但相位梯度超表面的反射相位覆盖范围仅为[0,π]。还有引入随机编码，粒子群优化算法等原理排布为超表面的方法。
发明内容
针对目前研究中存在的问题或不足，为解决现有相位梯度超表面存在大角度RCS减缩和 /或反射相位覆盖范围相对不足的问题，本发明提供了一种宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构。
一种宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构，由54mm×9mm的矩形周期结构按规律排布而成。
所述周期结构的排布规律具体为：以超表面结构的中心点为原点，建立x-y坐标轴，以逆时针方向定义1、2、3、4共计4个象限，各象限中周期结构以其宽边平行x轴、长边平行 y轴，按矩阵的方式依次排布构成整个超表面结构；沿x轴重复排列周期结构6n次，y轴重复排列n次，n为除0以外的自然数，得到1、3象限的模块；然后将1、3象限的模块分别以y轴做镜像对称得到2、4象限的模块，最终组成了一个12n*12n的超表面结构。
所述周期结构由6种基本单元构成，各基本单元的规格为9X9mm，从下至上依次为底部金属层1、中间介质层2和顶部金属图案层3，其中底部金属层1和中间介质层2大小相适应堆叠，各顶部金属图案层3中图形的中心和所属基本单元中心重合。
所述基本单元中顶部金属图案层的图形均由3个矩形构成，3个矩形分为2个相同的外侧矩形和一个内侧矩形，2个外侧矩形以其一条长边的中点和内侧矩形两对角端点重合的方式分别设置于内侧矩形的两侧，且保持3个矩形的长边互相平行或部分重合，其中内侧矩形的长边与x轴的夹角为30°；外侧矩形长边为3mm、宽边为0.75mm，内侧矩形宽边为1.5mm；内侧矩形按长边分别为7.5mm、5mm和1.5mm三种，以构成三种基本单元；将上述三种基本单元的顶部金属图案层以周期单元的宽边做镜像从而构成另外三种基本单元，至此共计六种顶部金属图案层的基本单元。
按基本单元内侧矩形长边长度对基本单元编号分别为7.5mm-1号、5mm-2号、1.5mm-3 号、镜像后7.5mm-4号、镜像后5mm-5号、镜像后1.5mm-6号，周期结构中6个基本单元从原点至y轴正方向的排布顺序为6-5-4-3-2-1号，从原点至y轴负方向的排布顺序为 1-2-3-4-5-6号。
所述基本单元还设置有金属通孔4，金属通孔4与基本单元的平面中心、顶部金属图案层图形的平面中心均重合，且贯通整个基本单元连通顶部金属图案层和底部金属层1。金属通孔的引入使得极化转换效率在大角度斜入射条件下更为稳定。
进一步的，所述中间介质层2的厚度为3mm，金属通孔4的半径为0.4mm。
进一步的，所述金属均为电导率5.8×107S/m的金属铜，介质基板则由介电常数为4.3、损耗为0.025的FR4构成。
进一步的，所述单个周期结构中的6个基本单元反射相位覆盖0～2π，各单元反射相位依次相差60°。
本发明通过设计加载通孔的6种极化转换基本单元结构构成周期结构单元，然后将周期结构单元进行排布；将极化转换与相位梯度两种机理相结合，提出了一种基于阶梯型图案层与金属通孔组合而成的基本单元结构，以棋盘格的形式，将形成相位梯度的周期结构单元排列形成超表面，以在宽带范围内实现大于10dB的RCS减缩效果，并且在大角度处也有较为明显的减缩。通过两种机制的组合，本发明能够有效改善单纯相位梯度超表面相位覆盖范围窄的问题，并且仅需设计一半数量的单元结构，再将这些单元结构通过镜像对称得到另一半的单元结构就能够得到反射相位覆盖0～2π的相位梯度单元结构。
综上所述，本发明通过设计加载通孔的极化转换基本单元结构，使得极化转换效率在大角度斜入射条件下更为稳定，再结合极化转换和相位梯度两种机制组成复合型超表面后，实现了宽带、宽角的单站RCS减缩，在微波领域具有广泛的应用前景。与单纯的相位梯度超表面相比，本发明的反射相位能够覆盖0～2π，并且仅需设计一半的单元结构，再通过镜像对称即可得到反射相位在0～2π的单元结构，具有设计简单等特点；与其他超表面相比，能够在实现宽带RCS减缩的同时，还能在宽角范围内实现RCS减缩。
附图说明
图1是本发明的基本单元1号的结构图；
图2是周期结构中1-6号基本单元的排布结构示意图；
图3是实施例的超表面结构示意图；
图4是垂直入射下，1-6号基本单元结构的反射相位曲线；
图5是实施例两种极化条件下与同尺寸的金属背板在垂直入射时单站RCS仿真结果对比；
图6是实施例在两种极化条件下在垂直入射时单站RCS的测试结果；
图7是本发明仿真结果，分别在两种极化条件下与同尺寸的金属背板在工作频点处斜入射时单站RCS仿真结果对比；
图8是本发明的实测结果，分别在两种极化条件下在工作频点处斜入射时单站RCS的测试结果；
图9是本发明实施例通过印制电路板工艺制备的测试样品。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
一种宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构设计，具体如下：根据极化转换基本原理设计得到极化转换初始单元，结合相位梯度的原理，确定结构中的几何变量，进而决定形成相位梯度的单元几何尺寸，实现60°的相位差，然后将决定的单元镜像对称得到另一半数量的单元结构，最终得到反射相位范围覆盖2π的6个基本单元。将这6种基本单元构成的周期结构按照规律排列，得到一个12*12的超表面。
周期结构的排布规律具体为：以超表面结构的中心点为原点，建立x-y坐标轴，以逆时针方向定义1、2、3、4共计4个象限，各象限中周期结构以其宽边平行x轴、长边平行y轴，按矩阵的方式依次排布构成整个超表面结构；沿x轴重复排列周期结构6n次，y轴重复排列n次，n为除0以外的自然数，得到1、3象限的模块；然后将1、3象限的模块分别以y轴做镜像对称得到2、4象限的模块，最终组成了一个12n*12n的超表面结构。
其中基本单元结构包括底部金属层1，中间介质层2、顶部金属图案层3、连接底部金属层以及顶部金属图案层的金属通孔4，其中金属层1和介质层2的长宽均为9mm，介质层的厚度为3mm。金属图案层3的外侧矩形长度为3mm、宽度为0.75mm；内侧矩形宽度为1.5mm，长度分别为7.5mm、5mm和1.5mm；金属通孔4的半径为0.4mm，高为3mm。介质基板介电常数为4.3，损耗为0.025，金属则为电导率5.8×107S/m的金属铜。
本实施例的仿真数据均在CST中完成，实验样品是由印刷电路板(PCB)工艺制成。
根据实施例的具体数据在CST中建模仿真：构成12*12(基本单元)的超表面，确定仿真工作频段以及工作频点，选择平面波作为场源进行仿真计算，然后对其RCS减缩效果进行分析。
通过PCB印刷电路板工艺制备样品，并在微波暗室中完成测试，分析仿真结果与测试结果的误差，得到的仿真测试对比(图5，6和图7，8)可知RCS减缩差别不大，很好的达到了预期的效果，验证了本发明结构的有效性。
综上所述，本发明通过设计加载通孔的极化转换基本单元结构，使得极化转换效率在大角度斜入射条件下更为稳定，再结合极化转换和相位梯度两种机制组成复合型超表面后，实现了宽带、宽角的单站RCS减缩，在微波领域具有广泛的应用前景。

Claims (3)

1.一种宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构，其特征在于：
由54mm×9mm的矩形周期结构按规律排布而成；
所述周期结构的排布规律具体为：以超表面结构的中心点为原点，建立x-y坐标轴，以逆时针方向定义1、2、3、4共计4个象限，各象限中周期结构以其宽边平行x轴、长边平行y轴，按矩阵的方式依次排布构成整个超表面结构；沿x轴重复排列周期结构6n次，y轴重复排列n次，n为除0以外的自然数，得到1、3象限的模块；然后将1、3象限的模块分别以y轴做镜像对称得到2、4象限的模块，最终组成了一个12n*12n的超表面结构；
所述周期结构由6种基本单元构成，各基本单元的规格为9X9mm，从下至上依次为底部金属层(1)、中间介质层(2)和顶部金属图案层(3)，其中底部金属层(1)和中间介质层(2)大小相适应堆叠，各顶部金属图案层(3)中图形的中心和所属基本单元中心重合；
基本单元中顶部金属图案层的图形均由3个矩形构成，3个矩形分为2个相同的外侧矩形和一个内侧矩形，2个外侧矩形以其一条长边的中点和内侧矩形两对角端点重合的方式分别设置于内侧矩形的两侧，且保持3个矩形的长边互相平行或部分重合，其中内侧矩形的长边与x轴的夹角为30°；外侧矩形长边为3mm、宽边为0.75mm，内侧矩形宽边为1.5mm；内侧矩形按长边分别为7.5mm、5mm和1.5mm三种，以构成三种基本单元；将上述三种基本单元的顶部金属图案层以周期结构的宽边做镜像从而构成另外三种基本单元，至此共计六种顶部金属图案层的基本单元；
按基本单元内侧矩形长边长度对基本单元编号为7.5mm-1号、5mm-2号、1.5mm-3号、镜像后7.5mm-4号、镜像后5mm-5号、镜像后1.5mm-6号，周期结构中6个基本单元从原点至y轴正方向的排布顺序为6-5-4-3-2-1，从原点至y轴负方向的排布顺序为1-2-3-4-5-6；单个周期结构中的6个基本单元反射相位覆盖0～2π，各单元反射相位依次相差60°；
所述基本单元还设置有金属通孔(4)，金属通孔(4)与基本单元的平面中心、顶部金属图案层图形的平面中心均重合，且贯通整个基本单元连通顶部金属图案层和底部金属层1。
2.如权利要求1所述宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构，其特征在于：所述中间介质层2的厚度为3mm，金属通孔4的半径为0.4mm。
3.如权利要求1所述宽带、宽角RCS减缩的极化转换复合超表面结构，其特征在于：所述金属均为电导率5.8×107S/m的金属铜，介质基板则由介电常数为4.3、损耗为0.025的FR4构成。
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