CN112821079A

CN112821079A - 一种缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面

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Publication number: CN112821079A
Application number: CN202011608676.0A
Authority: CN
Inventors: 黄双; 魏雅琪; 陈源宝; 谢刚; 赵雨桐; 陈佳; 陈建忠
Original assignee: Wuhan No 2 Ship Design Institute No 719 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corp
Current assignee: Wuhan No 2 Ship Design Institute No 719 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corp
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-05-18

Abstract

本发明公开了一种缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面。本发明的漫反射超表面，从上至下依次为：顶层、中间层和底层；其中，底层为ITO；中间层为光学透明的介质层；顶层为具有两种外轮廓均为圆形闵可夫斯基环的金属网；以两种圆形闵可夫斯基环金属网为基本单元，在工作频段范围内，两种基本单元幅值近似相等、相位相差180°±30°。其中一种基本单元的相位可归为0°，称为“0”元素；另一种的相位可归为180°，称为“1”元素。两种基本单元具有自相似性与极化不敏感的特点。本发明漫反射超表面具有透光率高、易于实现，能够在较宽的频率范围内具有明显的缩减后向RCS的功能。

Description

一种缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面

技术领域

本发明涉及人工电磁材料技术领域，具体涉及一种缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面。

背景技术

随着雷达和防空技术的不断发展，军事探测技术和隐身技术迅速成熟，目标的隐身性能已成为提高其生存能力和穿透能力的关键因素。近年来，已经提出了许多缩减RCS的方法。电磁超材料作为一种人造复合材料，为电磁隐身技术提供了许多新的思路。通过设计不同的结构单元，电磁超材料可以灵活地调节电磁波的状态以实现特定功能，例如具有异常的反射和折射效应的相位梯度超表面(PGM)、通过共振吸收来减少后向散射的超材料吸收器(MA)、通过结合AMC单元和PEC单元使产生的反射波之间的相消干涉，从而缩减物体的RCS等。

例如，东南大学在其申请的名称为“一种宽带吸收、散射可调超表面”(申请号，201910186499.2；授权公告号，CN 109904623 A)专利文献中，公开了一种宽频带吸波、散射可调超表面，该超表面由相同单元周期排列组成，所述单元由上层金属结构、有源器件、中层介质及下层金属背板构成。该超表面在8GHz-10GHz频带内垂直反射率动态可调、散射方向图动态可调。

然而，现有的飞机隐身涂层均为非透明的，但飞机座舱、舰船驾驶舱、仪器表盘等透明玻璃部件均存在隐身需求，这成了目前隐身技术的一个短板。随着下一代隐身飞机与舰船综合隐身技术的发展，对透明玻璃部件的隐身涂覆材料提出更高要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，采用栅格状的金属网来代替金属面来提高整体的透明度，利用圆形闵可夫斯基环，使得基本单元的幅值相等、相位相差180°±30°；本发明漫反射超表面具有透光率高、易于实现，能够在较宽的频率范围内具有明显的缩减后向RCS的功能。

本发明的漫反射超表面，从上至下依次为：顶层、中间层和底层；其中，底层为ITO；中间层为光学透明的介质层；顶层为具有两种外轮廓均为圆形闵可夫斯基环的金属网；以两种圆形闵可夫斯基环金属网为基本单元，在工作频段范围内，两种基本单元幅值近似相等、相位相差180°±30°。其中一种基本单元的相位可归为0°，称为“0”元素；另一种的相位可归为180°，称为“1”元素。两种基本单元具有自相似性与极化不敏感的特点。通过排布“0”元素和“1”元素，获得漫反射超表面。

较优的，可以将两种基本单元分别组成N×N阵列后，N≥2；再以阵列的形式进行排布优化布局，以近似满足每个基本单元都是周期排布结构。通过优化子阵的排布方式，使得漫反射超表面的散射波束随机分布到上半空间，得到较佳的漫反射效果的超表面。

较优的，所述两种金属网中，其圆形闵可夫斯基环中的参数w相等，通过改变参数r和参数l，使得两种基本单元的幅值相等、相位相差180°。

较优的，所述w小于r₂；r₂为两种基本单元中圆形闵可夫斯基环较小者的半径。

较优的，所述两种金属丝网的圆形闵可夫斯基环的尺寸r、w、l分别为：r₁＝3.3mm、w₁＝1mm、l₁＝2.1mm，以及r₂＝1.7mm,w₂＝1mm,l₂＝0.7mm。

较优的，所述金属丝网采用铜、金、银等高导电率金属制成；金属丝网的线宽为4μm-20μm，两线之间的间隔为200μm-350μm。

较优的，可以将金属丝网印制在顶层衬底上，金属丝网和顶层衬底共同构成所述顶层；可以将ITO薄膜涂覆在底层衬底上，ITO薄膜和底层衬底共同构成所述底层；其中，所述衬底采用光学透明的介质层。

较优的，所述中间层和衬底的相对介电常数为2.7，优选PMMA、PET或玻璃。

较优的，所述顶层衬底和底层衬底的厚度小于或等于中间层厚度的1/10。

较优的，顶层衬底采用PET，厚度h1＝0.175mm，长宽均为8mm，相对介电常数为2.7；中间层厚度h2＝3mm，长宽均为8mm，相对介电常数为2.7；ITO薄膜方阻为6Ω，长宽均为8mm；底层衬底采用PET，厚度h3＝0.175mm，长宽均为8mm，相对介电常数ε_r为2.7。

有益效果：

本发明漫反射超表面在9G到17GHz宽带范围内，均能实现明显的后向RCS的功能，并具有光学透明、易于设计、超薄等特性，具有良好的应用前景。本发明为设计利用漫反射实现RCS缩减的超表面提供一种可行方法。

附图说明

图1为本发明漫反射超表面的结构图；

图2为本发明漫反射超表面的基本单元结构图；

图3为本发明漫反射超表面“0”元素、“1”元素结构顶视图；

图4为本发明实施例漫反射超表面单元S11的幅度及相位的仿真结果图；

图5为本发明实施例漫反射超表面顶视图；

图6为本发明实施例漫反射超表面由平面波垂直入射时，与相同尺寸的金属平板比较后所缩减的RCS曲线图；

图7为本发明实施例漫反射超表面由平面波垂直入射时分别在9GHz(a)、13GHz(b)、17GHz(c)下的后向散射方向图。

图8为本发明实施例漫反射超表面(b)与相同尺寸的金属平板(a)由平面波垂直入射时分别在9GHz(i)、13GHz(ii)、17GHz(iii)下的后向散射E面方向图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，如图1～图2所示，由下至上依次为：底部衬底6、ITO 5、中间层4、顶部衬底3和外轮廓均为圆形闵可夫斯基环的金属丝网1、2。两种金属丝网(基本单元)的结构图如图3所示，超表面由半径分别为1.7mm(“0”元素)和3.3mm(“1”元素)的准闵可夫斯基圆环两种单元结构构成。图4为“0”和“1”这两种单元结构相位和幅度全波仿真图，在整个仿真频带内两种单元的反射幅度基本保持不变，在9G到18GHz变化范围内两种单元相位差保持在180°左右。

漫反射超表面的具体实现方法如下：首先对于顶层，选择铜丝制成外轮廓均为圆形闵可夫斯基环的金属丝网1、2，并将具有光学透明且柔性的PET作为顶层衬底，将金属丝网1、2印制在顶层衬底PET上；PET的相对介电常数是2.7，厚度为0.175mm；金属丝网的线宽为13μm，两线之间的间隔为130μm；中间介质层采用PMMA，其相对介电常数是2.7，厚度为3mm；底层选择方阻为6Ω的ITO薄膜并选用PET作其衬底。漫反射超表面的整体厚度约为0.1λ(λ是工作频段中心频率处的波长)。然后将这两种基本单元排列成144×144mm²的超表面。最后，对整个数字编码超表面进行仿真和实验测量。

本实施例中，将这两种基本单元分别组成3×3子阵，以这两种子阵为基础进行排列并优化器排布方式，得到如图5所示排布结果。

下面通过仿真和实验对本实施例的技术效果进行验证性说明。

仿真条件：本实施例中，利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例的性能进行仿真。

仿真内容与结果：

仿真1，设金属丝网单元的个数为无限大，在垂直入射条件下对本实例的单元进行仿真，得到幅相反应的曲线，如图4所示。由图4可知：在较宽的频带范围内，两单元的幅度保持一致，均呈现全反射状态，两者的相位差在9G-19GHz频段范围内基本保持在180°。

仿真2，将平面波分别垂直照射本实例超表面与相同尺寸的金属平板进行仿真，比较两者的RCS，得到本实例超表面RCS缩减的曲线，如图6所示。可以看出，在9G-18GHz频段范围内均能实现大于5dB的RCS缩减效果。

仿真3，将平面波分别垂直照射本实例超表面与相同尺寸的金属平板进行仿真，分别得到两者在9GHz、13GHz、17GHz下的后向散射方向图，如图7、8所示。可以看出，与金属平板相比，该实例超表面的后向反射波束发散到了上半空间中的各个方向。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，包括顶层、中间层和底层；其中，底层为ITO；中间层为光学透明的介质层；顶层为两种外轮廓均为圆形闵可夫斯基环的金属丝网；以两种圆形闵可夫斯基环金属丝网为基本单元，两种基本单元的幅值相等、相位相差180°±30°。

2.如权利要求1所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，两种基本单元分别组成N×N阵列后，N≥2；再以阵列形式进行排布优化布局。

3.如权利要求1或2所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，所述两种金属丝网的圆形闵可夫斯基环中的参数w相等，通过改变参数r和参数l，使得两种基本单元的幅值相等、相位相差180°±30°。

4.如权利要求3所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，所述w小于r₂；r₂为两种基本单元中较小者的半径。

5.如权利要求4所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，所述两种金属丝网的圆形闵可夫斯基环的尺寸r、w、l分别为：r₁＝3.3mm、w₁＝1mm、l₁＝2.1mm，以及r₂＝1.7mm,w₂＝1mm,l₂＝0.7mm。

6.如权利要求1所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，所述金属丝网采用铜、金或银制成；金属丝网的线宽为4μm-20μm，两线之间的间隔为200μm-350μm。

7.如权利要求1所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，所述顶层包括金属丝网和顶层衬底，所述金属丝网印制在顶层衬底上；所述底层包括ITO薄膜和底层衬底，所述ITO涂覆在底层，所述衬底采用光学透明的介质层。

8.如权利要求1或7所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，所述中间层和衬底的相对介电常数为2.7，优选PMMA、PET或玻璃。

9.如权利要求7所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，所述衬底的厚度小于或等于中间层厚度的1/10。

10.如权利要求9所述的缩减雷达散射截面的高透明度漫反射超表面，其特征在于，顶层衬底采用PET，厚度h1＝0.175mm，长宽均为8mm，相对介电常数为2.7；中间层厚度h2＝3mm，长宽均为8mm，相对介电常数为2.7；ITO薄膜方阻为6Ω，长宽均为8mm；底层衬底采用PET，厚度h3＝0.175mm，长宽均为8mm，相对介电常数ε_r为2.7。