CN113097735A - 一种多功能超表面及隐身天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多功能超表面及隐身天线，该超表面的单元依次五层金属层和介于金属层间的四层介质基板，其中第一、第二、第四、第五金属层分别设有两条平行等长的矩形金属贴片；第一和第二金属层的矩形金属贴片长度不同，其他参数相同，第四和第五金属层也只有贴片长度不同；第二与第四金属层的金属贴片相互正交；第三金属层上设有一个C形金属开口环；该超表面在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现雷达散射截面缩减功能。本发明可以独立实现高性能天线、波束偏折和雷达散射截面缩减三种功能，可以应用于实现某些特定环境下的隐身天线，具有电尺寸小、高增益等优点。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料、无线通信领域，具体涉及一种集成透射、反射、雷达散射截面缩减多功能的超表面，以及实现宽带、低旁瓣的隐身天线。
背景技术
随着研究人员对超材料的不断探索，也发现了超材料的一些不足。由于三维的超材料结构复杂、制造成本高、体积庞大且损耗高等缺点，极大地阻碍了它的广泛应用。直到2011年，一种被定义为超表面的新型人工微结构被美国哈佛大学的Capasso教授团队首次提出，它是三维超材料的二维化形式，通过在二维平面上空间排布厚度很薄的亚波长尺寸结构得到。通过在媒质界面上引入相位的不连续性，打破了经典的斯涅尔定律的应用局限，并提出了广义斯涅尔定律，该定律为人们设计电磁波调控器件提供了新的思路。随着对超表面的研究和认知不断加深，超表面的研究和发展也出现新的趋势，更加关注于小型化、共面、多功能、可重构、集成化和数字化等。超表面不仅在电磁学、光学等领域引起广泛关注，同时也成为材料学、声学、信息科学及相关交叉学科的研究热点。这种平面化超表面的加工和制备可以与现代的半导体技术和印刷电路版技术等成熟技术完美兼容，大大降低了器件的加工制备成本和剖面大小，也减少了由于传播波程而引起的损耗，极大地克服了超材料在工程应用中的缺陷。
各向异性超表面单元在不同的电磁波激励下表现出不同的电磁响应，而当特定极化和特定传播方向的电磁波激励超表面时，超表面可以对电磁波进行独立调控，且不产生相互影响。由于具有高度的极化和入射方向独立性，各向异性超表面可以集成多种功能，简化了多功能电磁器件的设计难度。
各向异性超表面已被应用于独立调控两个正交极化下的反射/透射电磁波，如轨道角动量发射器，偏振分束器等。但已有文献均局限于超表面的相位调控，至今还未见具有宽带和任意调幅和调相特点的集成反射/透射的多功能超表面。现有技术还存在电尺寸大、窄带、效率低和不能调控幅度等缺点。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集成透射、反射、雷达散射截面缩减多功能的超表面，以及提供一种低副瓣、高增益，且重量轻、成本低和易组装集成的超表面隐身天线。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种多功能超表面，所述超表面的单元依次包括第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第三介质基板、第四金属层、第四介质基板和第五金属层；所述第一金属层、第二金属层、第四金属层、第五金属层分别设有两条平行的矩形金属贴片，两条矩形金属贴片的长度相同；所述第一金属层和第二金属层的矩形金属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第四金属层和第五金属层的矩形金属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第二金属层与第四金属层的矩形金属贴片相互正交；所述第三金属层上设有一个C形金属开口环；所述超表面在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现雷达散射截面(RCS)缩减功能；其中x方向为第一金属层上金属贴片长度方向，y方向为第一金属层上金属贴片宽度方向。
进一步地，通过改变C形金属开口环的开口旋转角度调控透射幅度，通过改变C形金属开口环的开口大小调控透射相位。
进一步地，所述C形金属开口环的开口大小在2°到84°，开口旋转角度在-45°到45°。
进一步地，通过改变第一金属层的矩形金属贴片的长度调控正向入射的反射相位；通过改变第五金属层的矩形金属贴片的长度调控反向入射的反射相位。
进一步地，所述第二金属层和第四金属层的矩形金属贴片的长度为单元周期长度，所述第一金属层和第五金属层的矩形金属贴片的长度小于单元周期长度。
进一步地，所述第一金属层的矩形金属贴片在x方向上组成超单元，超单元中各单元的金属贴片长度不同；在y方向上排布相同。
进一步地，RCS缩减功能通过反射相位差180°的两种单元分别排布组成两种超单元，再由两种超单元随机排布成阵列实现，其中通过改变第五金属层的矩形金属贴片的长度得到相位相差180°的两种单元。
一种隐身天线，包括喇叭馈源和所述的超表面，喇叭馈源位于超表面的焦点处。
有益效果：本发明所提出的各向异性超表面单元结构具有独立调控反射和透射系数的能力，当x极化的电磁波从正向入射时，反射相位可以通过第一金属层的矩形贴片的长度控制，并保持0.95以上的反射效率；当y极化的电磁波从正向入射且频率时，透射相位可以通过第三金属层的C形金属开口环的开口大控制，而透射幅度可以通过第三金属层的C形金属开口环的开口的旋转角度控制，同时透射相位和幅度之间相互独立控制；根据单元结构的对称性，当y极化的电磁波从背向入射时，反射相位可以通过第五金属层的矩形贴片的长度控制，并保持0.95以上的反射效率。与现有技术相比，本发明可以独立实现高性能天线、波束偏折和雷达散射截面缩减三种功能，可以应用于实现某些特定环境下的隐身天线。天线的副瓣可以根据预设值控制在-25dB以下，满足某些特殊天线要求，同时天线的工作频段宽，可以在9-14GHz都保持高增益。与现有技术相比，本发明还具有更小的电尺寸、高增益、高效率、重量轻、成本低和易组装集成等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的超表面单元结构示意图，其中，(a)为单元结构，(b)为第一金属层结构，(c)为第二金属层结构，(d)为第三金属层结构。图中，1、3、5、7、9分别对应第一至第五金属层，2、4、6、8分别对应第一至第四介质基板。
图2为本发明实施例的超表面功能示意图。其中，(a)为低副瓣高增益性能示意，(b)为波束偏折示意，(c)为雷达散射截面缩减示意。
图3为本发明实施例的超表面单元的透射和反射系数。其中，(a)为在x方向极化入射波的反射系数和透射系数随频率变化的仿真结果；(b)为反射幅度和相位在10GHz时与参数l1的关系；(c)为在y方向极化入射波的透射和反射系数与频率的关系；(d)为在10GHz和α＝2°条件下，txy的相位和振幅作为β的函数从-45°到45°变化关系；(e)为在10GHz和β＝±45°下，txy的相位和振幅作为α的函数从2°到84°变化关系；(f)为在y极化电磁波入射时不同α参数对应的透射相位Arg(txy)。
图4为本发明实施例的隐身天线的高性能天线功能示意图。其中，(a)为结构示意图，(b)为口径相位分布，(c)为口径幅度分布。
图5为本发明实施例中，开口环的开口大小α和开口旋转角度β分布图。其中，(a)为开口大小α分布，(b)为开口旋转角度β分布。
图6为高性能天线的辐射方向图，其中(a)为yoz面，(b)为xoz面，(c)为在9-14GHz，频率间隔为1GHz时，在yoz面的辐射方向图；(d)为在9-14GHz，频率间隔为1GHz时，在xoz面的辐射方向图。
图7为本发明实施例的隐身天线的波束偏折功能示意图，其中(a)为口径相位分布，(b)3D辐射方向图，(c)为二维辐射方向图，且在xoz面。
图8为本发明实施例的隐身天线的雷达散射截面缩减功能示意图，其中，(a)为口径相位分布，(b)为3D辐射方向图，(c)为RCS缩减图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明。
本发明实施例提供的一种多功能超表面，用于在喇叭馈源或平面波激励下实现幅度和相位均可调控的高增益天线、波束偏折或雷达散射截面(RCS)缩减。其结构单元如图1所示，超表面单元总共包括五层金属层(图示由左至右的第一至第五金属层)和四层介质基板(第一至第四介质基板)，第一、第二金属层和第四、第五金属层均设有两条平行的矩形金属贴片，这两条矩形金属贴片的长度相同。其中第一金属层和第二金属层的金属贴片除长度不同外，其他参数(距离单元中心的位置、贴片宽度)都相同，第四金属层和第五金属层的金属贴片除长度不同外，其他参数都相同(与第一、二金属层类似)；第二金属层与第四金属层的金属贴片结构相互正交；第三金属层为C形金属开口环。该超表面在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现RCS缩减功能。其中x方向为第一金属层上金属贴片长度方向，y方向为第一金属层上金属贴片宽度方向。
具体地，本发明提供的多功能超表面，其功能示意图如图2所示。图(a)中，当y极化的标准喇叭馈源作为馈源正向入射激励超表面时，超表面能够将球面波转化为平面波，从而提高天线的增益，同时还能调控超表面的透射幅度分布来得到低副瓣，并且该高增益天线能够在9-14GHz内工作；图(b)中，当x极化的平面波正向入射激励超表面时，超表面可实现波束偏折；图(c)中，当y极化的平面波背向(反向)入射激励超表面时，实现RCS缩减特效。基于以上功能的集成，该超表面可实现高增益、低副瓣和宽带的隐身天线，即在特定的极化和入射方向下实现高性能天线，而在其他条件下实现隐身。
下面结合具体示例，说明本实施例提供的超表面的具体特性。如图1，本示例中，超表面单元的结构参数为p＝8mm,h＝1mm,w＝2.4mm,d＝2mm,r＝3.65mm,w1＝1mm，这里p为在x、y方向的周期长度，h为介质基板的厚度，w为第一、二、四和五金属层的矩形金属贴片的宽度，d为两个矩形金属贴片之间的距离，l1为矩形金属贴片的长度，r为开口环的外半径，w1为开口环的宽度，β为C形开口环的开口旋转角度，α为C形开口环的开口大小。所有金属层的材质均为铜，厚度均为0.018mm；所有介质基板采用F4B，介电常数2.65，损耗正切0.001。
具体各向异性超表面单元电磁特性分析如下：
为了说明各向异性超表面单元的电磁特性，采用商业仿真软件对单元结构进行S参数仿真。如图3的(a)所示，当x极化电磁波正向入射时，参数设置为l1＝7.4mm，α＝2°和β＝45°，其单元的散射系数|tyx|、|txx|和|ryx|非常小，而反射系数|rxx|大于0.95；为了进一步验证，保持其他参数不变，如图3的(b)给出了单元反射相位和幅度随l1变化的结果图，可以看出当其他参数保持不变，改变参数l1在[1mm，7.96mm]变化时，在工作频率为10GHz时反射幅度|rxx|均大于0.97，同时反射相位能够在0°到315°连续变化。
由于第二金属层构成的光栅，对于x极化电磁波可以高效的反射，对于y极化的电磁波则可以高效通过。
如图3的(c)所示，当y极化电磁波正向入射时，参数设置为l1＝7.4mm，α＝2°和β＝45°，其单元的散射系数|ryy|、|rxy|和|tyx|非常小，而透射系数|txy|在8-14GHz在0.93以上；如图3的(d)所示，其中保持其他参数不变，改变开口旋转角度β，透射系数|txy|可以在0-1之间连续可控，而相位几乎保持不变；如图3的(e)所示，当其他参数保持不变，且β＝45°时，改变开口大小α，透射相位Arg(txy)可以在0°到180°之间连续可控；且β＝-45°，改变开口大小α，透射相位Arg(txy)可以在180°到360°之间连续可控，同时对幅度影响不大。即该单元结构可以通过改变参数β和α实现对透射幅度和相位的任意调控。
除此之外，如图3的(f)所示，透射相位随α的改变在8-14GHz之间近似相互平行，即表明超表面天线可以在宽带内工作。
本发明中，所设计超表面的具体结构由本发明设计的各向异性超表面单元结构与所需三种电磁功能所共同确定，三种电磁功能是指超表面在两个正交极化激励下实现的不同电磁波调控功能，和电磁波不同入射方向激励下实现的不同电磁波调控功能。两个正交极化通过绕馈源轴线旋转馈源90°来实现。具体来说，所设计超表面由不同结构参数的各向异性超表面单元根据特定的相位和幅度分布排列组成，特定相位和幅度由预定实现的功能决定并通过改变单元参数实现。
本发明实施例提供的高性能隐身天线，主要由喇叭馈源和上述多功能超表面组成，下面结合具体示例分别对该隐身天线实现的高增益天线功能、波束偏折功能和雷达散射截面缩减功能做详细介绍。
1、高增益、低副瓣高性能天线功能
本示例中，高性能天线由喇叭馈源和超表面组成，工作原理如图4的(a)所示，其中超表面包含N*N＝35*35个各向异性超表面单元，口径尺寸为D＝35*8＝280mm，馈源位置(焦距)F＝100mm。喇叭馈源由长为a＝22.86mm，宽为b＝10.16mm的标准波导BJ-100和口径为A*B＝44*24mm2的喇叭开口构成，整体高度为L＝30mm，中心频率f0＝10GHz。
高性能天线功能是指喇叭沿y方向极化，并且从超表面正向入射激励时实现的高增益低副瓣天线功能，由抛物线相位梯度实现高增益特性，具体根据射线追踪法和相位补偿原理法由
计算得到，式中，参数
代表透射系数txy的相位，其中箭头代表正向入射，m，n分别代表各单元在超表面中的行、列位置，p为单元周期，k0是传播常数，具体通过控制C形金属开口环的开口大小α实现。天线的低副瓣特性由阵列天线的泰勒综合法实现，具体根据二维的泰勒分布和幅度补偿原理法，其中二维泰勒分布T2可由一维泰勒分布T1得到，T2＝T1·T1′,其中T1′为T1的转置矩阵。一维泰勒分布由
计算得到，其中K是一维阵列中的元素总数(本例中K＝35)，k是沿该线的天线序列号，Fa是方向图函数，k0代表泰勒空间因子的第k0个零点，可由公式k0＝int(2A2+1/2+1)得到，参数A由预设副瓣值R0确定(本案例中R0设置为-25dB)，A＝(arccoshR0)/π。需要由超表面补偿的传输幅度分布由
计算得到，其中参数I为喇叭馈源在距离超表面100mm激励时，在超表面上所引起的能量分布。
最终口径相位和幅度分布分别如图4的(b)和(c)所示，超表面的相位抛物梯度通过控制第三金属层的C形金属开口环的开口大小α参数实现，而超表面的幅度分布通过预设副瓣为-25dB结合泰勒综合分析法得到，并通过控制第三金属层的C形金属开口环的开口旋转角度β参数实现。本例中，开口大小α和开口旋转角度β分布如图5所示。
如图6所示，经过优化后超表面天线在f0＝10GHz处具有笔形波束，并且增益达到19.5dB，表明该设计具有高增益天线特性；其中图(a)为yoz面的二维方向图，副瓣为-25.2dB，被抑制在预设值-25dB之下；其中图(b)为xoz面的二维方向图，副瓣为-22.4dB。此外，yoz面和xoz面之间的差异主要是由于喇叭馈源不对称性辐射引起。
图6的(c)和(d)为超表面高性能天线在9-14GHz，频率间隔为1GHz时，在yoz和xoz面的方向图。可以看出，天线在9-14GHz频率都呈现出高定向单波束辐射，表明该天线可以在宽频带工作。
2、波束偏折功能
波束偏折同样由喇叭馈源激励，其激励方式与高增益天线类似。不同之处为喇叭极化变为x极化，喇叭馈源和超表面天线之间的距离F变远。其x极化平面波通过对喇叭旋转90°，设置馈源至超表面的距离为F>＝2D2/λ0，即满足远场条件，此时喇叭辐射的电磁波在到达超表面时可以近似为平面波。
平面电磁波沿x方向极化，且从超表面正向入射激励时实现波束偏折，由线性相位梯度来实现，即通过沿x方向周期排列超单元实现，其波束偏折角度由
计算得到，其中λ0为工作频率处的波长。本例中，最终口径相位分布如图7的(a)所示，其中超表面沿x方向为线性分布，超单元由Ns＝8个单元组成(本例中x方向有4.375个超单元)且在10GHz处的线性相位梯度为45°，超周期为64mm，计算得到的理论偏折角度θr＝28°。具体通过控制第一金属层的两个矩形金属贴片长度l1来得到相应的相位，在一个超周期内，两个矩形贴片长度沿x方向依次为l1＝7.96mm,l1＝7.70mm,l1＝7.48mm,l1＝7.35mm,l1＝7.16mm,l1＝6.95mm,l1＝6.50mm,和l1＝1.00mm。最终得到仿真3D辐射方向图如图(b)所示，可以看出天线在f0＝10GHz处呈现明显的波束偏折，偏折方向指向x方向；图(c)给出了在xoz面的仿真与测试二维方向图，波束的偏折角度为28.2°，与理论计算值一致，证明了设计的正确性。
3、雷达散射截面缩减功能
雷达散射截面缩减同样由喇叭馈源激励，其激励方式与波束偏折功能类似。不同之处为喇叭旋转90°变为y极化，并且从超表面背向入射激励。喇叭与超表面之间的距离同样需要满足F>＝2D2/λ0，即满足远场条件。本例中，最终口径相位分布如图8的(a)所示，相位分布由反射相位相差180°的两个单元分别按照5*5排布组成超单元，这两种超单元随机排布成7*7实现，这两个不同的单元具体通过控制第五金属层的两个矩形金属贴片长度来得到相应的相位，尺寸分别为7.7mm和7mm。最终得到仿真3D辐射方向图如图(b)所示，可以看出天线在f0＝10GHz处呈现明显的电磁波散射现象。图(c)给出了仿真和测试的雷达散射截面缩减值，和具有与超表面相同尺寸的金属板相比，超表面在7.98-10.36GHz的频率范围内实现-10dB雷达散射截面缩减。同时，仿真与测试结果一致，证明其设计正确性。
综上，本发明可以独立实现三种不同功能，包括高性能天线、波束偏折和雷达散射截面缩减，可以应用于实现某些特定环境下的隐身天线。天线的副瓣可以根据预设值控制在-25dB以下，满足某些特殊天线要求，同时天线的工作频段宽。与现有的设计相比，该发明具有更小的电尺寸，具体表现为该发明所设计的单元结构尺寸为0.267λ0，其中λ0为工作波长，现有设计，如文献[L.Zhang,R.Y.Wu,G.D.Bai,H.T.Wu,Q.Ma,X.Q.Chen,and T.J.Cui,“Transmission-reflection-integrated multifunctional coding metasurface forfull-space controls of electromagnetic waves,”Adv.Funct.Mater.2018(28)(2018)，1802205]电尺寸为0.4λ0，文献[W.K.Pan，T.Cai,S.W.Tang,L.Zhou,and J.F.Dong,“Trifunctional metasurfaces:concept and characterizations,”Opt.Express 26(13),17447–17457(2018)]电尺寸为0.36λ0。
Claims (8)
1.一种多功能超表面，其特征在于，所述超表面的单元依次包括第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第三介质基板、第四金属层、第四介质基板和第五金属层；所述第一金属层、第二金属层、第四金属层、第五金属层分别设有两条平行的矩形金属贴片，两条矩形金属贴片的长度相同；所述第一金属层和第二金属层的矩形金属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第四金属层和第五金属层的矩形金属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第二金属层与第四金属层的矩形金属贴片相互正交；所述第三金属层上设有一个C形金属开口环；所述超表面在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现雷达散射截面(RCS)缩减功能；其中x方向为第一金属层上金属贴片长度方向，y方向为第一金属层上金属贴片宽度方向。
2.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，通过改变C形金属开口环的开口旋转角度调控透射幅度，通过改变C形金属开口环的开口大小调控透射相位。
3.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，所述C形金属开口环的开口大小在2°到84°，开口旋转角度在-45°到45°。
4.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，通过改变第一金属层的矩形金属贴片的长度调控正向入射的反射相位；通过改变第五金属层的矩形金属贴片的长度调控反向入射的反射相位。
5.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，所述第二金属层和第四金属层的矩形金属贴片的长度为单元周期长度，所述第一金属层和第五金属层的矩形金属贴片的长度小于单元周期长度。
6.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，所述第一金属层的矩形金属贴片在x方向上组成超单元，超单元中各单元的金属贴片长度不同；在y方向上排布相同。
7.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，RCS缩减功能通过反射相位差180°的两种单元分别排布组成两种超单元，再由两种超单元随机排布成阵列实现，其中通过改变第五金属层的矩形金属贴片的长度得到相位相差180°的两种单元。
8.一种隐身天线，其特征在于，包括喇叭馈源和根据权利要求1-7任一项所述的超表面，所述喇叭馈源位于超表面的焦点处。
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