CN113506992B - 一种凹凸曲形地毯隐身衣及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凹凸曲形地毯隐身衣及其设计方法，所述凹凸曲形地毯隐身衣由M*N个超表面单元在空间内等间距周期延拓排列组成，每个所述超表面单元从上到下包括三层结构，第一层为打印有双环金属谐振器的超薄介质板，第二层为树脂介质层，第三层为超薄金属板；所述超薄介质板共形在所述树脂介质层上，所述超薄金属板共形在所述树脂介质层的底部；所述树脂介质层为曲面结构，通过3D打印技术制备加工；每个所述超表面单元的超薄介质板的一面均通过PCB技术打印有双环金属谐振器，另一面全腐蚀。本发明中的地毯隐身衣能够与具有任意外形的被隐身目标实现共形，而且还能够避免现有的二维平面拼接结构在拼接位置处产生的棱角影响地毯隐身衣的工作性能。

Description

一种凹凸曲形地毯隐身衣及其设计方法

技术领域

本发明涉及超表面隐身技术领域，尤其涉及一种凹凸曲形地毯隐身衣及其设计方法。

背景技术

超表面因其独特的电磁属性和强大的电磁操控能力在电磁工程领域受到了广泛关注。与三维体积的超材料相比，超表面剖面薄、重量轻、易共性和易集成的优点更是应用在了各种电磁器件的设计和装备战斗力提升等方面，如超透镜、极化转换器和涡旋波束产生器等。其中，为提高装备在战场上的战斗力和生存力，基于超表面的雷达隐身技术为装备在未来战场上抢先发现并消灭敌人提供了可能。目前，电磁超表面通过相位调控实现入射波均匀散射或者利用电阻材料损耗入射波两种方案来实现雷达散射截面(Radar Cross-Section，RCS)减缩，从而达到雷达隐身的目的。然而，以上两种方案仅仅能对以空气为背景信息的目标起到很好的隐身效果，对隐身地面目标仍然存在很大的局限性。因此，通过分析目标和地面的电磁散射特征，有研究者提出了地毯隐身衣的概念。

然而，由于工程加工技术的限制，目前所报道的超表面地毯隐身衣大部分都是由二维平面结构拼接而成，在不同拼接位置处产生的棱角严重影响了地毯隐身衣的工作性能。即使已有工作报道了拱形地毯隐身衣，但是该隐身衣仍然不能实现对凹面外形目标的隐身。更重要的是，这种拼接结构不能与具有任意外形的被隐身目标实现共形，这严重限制了超表面地毯隐身衣在复杂电磁环境中的应用。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种凹凸曲形地毯隐身衣及其设计方法，基于相位补偿原理，通过亚波金属谐振器调控相位实现对凹面外形目标的隐身，当电磁波入射在地毯隐身衣表面时，地毯隐身衣可以将反射波前恢复到与地平面反射波前相类似的效果，从而欺骗敌方探测雷达，实现对地面目标的隐身。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种凹凸曲形地毯隐身衣，其特征在于：从上到下包括三层结构，第一层为打印有双环金属谐振器的超薄介质板，第二层为树脂介质层，第三层为超薄金属板；所述超薄介质板共形在所述树脂介质层上，所述超薄金属板共形在所述树脂介质层的底部；所述树脂介质层为曲面结构；

所述凹凸曲形地毯隐身衣由M*N个超表面单元在空间内等间距周期延拓排列组成，每个所述超表面单元也包含打印有双环金属谐振器的超薄介质板、树脂介质层和超薄金属板三层，每个所述超表面单元的超薄介质板的一面均通过PCB技术打印有双环金属谐振器，另一面全腐蚀；

所述超表面单元上的双环金属谐振器包括外环和内环，所述外环与所述内环均为正方形金属条，且所述外环与所述内环中心点相同，外环的边长为a，内环边长为a/2，金属条的宽度均为w；h₁和h₂分别为超薄介质板和树脂介质的厚度；每个所述超表面单元的边长为p；不同超表面单元上的双环金属谐振器的a不同；

所述双环金属谐振器具有双模谐振和四重旋转对称性，保证了地毯隐身衣在x和y极化波下具有相同的电磁响应。

进一步的，p＝9mm，w＝0.6mm，h₁＝0.1mm，h₂＝3mm；金属条为金属铜，金属铜的厚度为0.036mm；所述超薄介质板采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为ε_r＝2.65，电正切损耗为tan δ＝0.001；所述树脂介质层采用ABS-M30树脂介质，介电常数为ε_r＝2.7，电正切损耗为tan δ＝0.005；且所述树脂介质层采用3D打印技术加工制备。

进一步的，一种凹凸曲形地毯隐身衣的设计方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：设计双环金属谐振器，构建传输相位在360°范围内的调控模式；

S2：确定凹凸曲形地毯隐身衣的曲面几何形状函数并构建模型，根据相位补充原理，计算地毯隐身衣的相位分布；

S3：将不连续相位位置中心投影到超薄介质板上，根据第二步计算的补偿相位，在超薄介质板上排布相应结构尺寸的双环金属谐振器单元；

S4：将带有双环金属谐振器的超薄介质板共形在凹凸曲形隐身衣的轮廓表面，将超薄金属板共形在凹凸曲形隐身衣的轮廓底部，组成凹凸曲形地毯隐身衣。

进一步的，步骤S1中双环金属谐振器的设计原则为：实现隐身衣的根本方法是通过超表面单元产生的突变相位补偿光程差所积累的相位差，恢复类平面反射波前相位和幅度；因此，超表面单元需要实现360°范围内反射相位

任意调控，同时要求反射幅度|r_xx|/|r_yy|接近于1，确保隐身衣的工作性能；选用双环金属谐振器结构可以在x和y极化波激励下通过改变双环金属谐振器结构的边长a实现超表面单元反射相位在360°范围内的任意可调，同时反射幅度也接近于1，满足隐身衣的设计需求。

进一步的，步骤S2的具体操作步骤包括，

S201：确定凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状由以下分段函数表示

S202：通过曲线化建模的方法在全波仿真软件CST中构造出隐身衣的几何模型，材料为ABS-M30树脂介质，最终的隐身衣几何尺寸为L*W，L代表隐身衣在地面投影长度，W代表隐身衣在地面投影宽度；

S203：根据相位补偿原理，选定相位参考面，计算隐身衣表面不同位置距参考面的垂直距离，然后计算出相应位置处的补偿相位；当选择地面为相位参考面时，也即在直角坐标系中z＝0平面，则需要补偿的相位

的计算公式为

式中，h表示隐身衣中超表面单元中心到地平面的距离，θ是电磁波相对于地平面的入射角度，π是电磁波入射到地平面后半波损耗所引起的相位突变；

S204：对凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状分段函数进行曲线积分，求出隐身衣表面的曲线长度S，确定单个周期内超表面单元的个数1*M；

S205：计算单个周期内不连续相位分布，最后将单个周期沿y方向周期延拓N个周期求出整体相位分布。

进一步的，步骤S3的具体操作步骤包括，

S301：将隐身衣表面不连续的相位中心投影在二维超薄介质板上作为超表面单元中心位置；

S302：根据步骤S2中计算的补偿相位找到对应的双环金属谐振器结构尺寸，在宽为p，长为S的超薄介质板上排布单个周期的双环金属谐振器；

S303：将单个周期结构整体沿y方向周期延拓N个周期完成二维平面内的双环金属谐振器排布。

本发明的有益效果是：

1、本发明中的凹凸曲形地毯隐身衣通过3D打印技术加工制备树脂介质层，然后将超表面和超薄金属板分别共形在树脂介质的上表面和下表面，形成一个完整的曲面结构，从而使其能够与具有任意外形的被隐身目标实现共形，而且还能够避免现有的二维平面拼接结构在拼接位置处产生的棱角影响地毯隐身衣的工作性能，且二维拼接形成的结构不能与曲面目标进行共形。

2、本发明中的金属谐振器采用双环金属谐振器，与目前已经报道的金属谐振器相比，双环金属谐振器具备有双模谐振，可以打破原有的电磁色散特性，从而实现宽带的360°反射相位调控；除此之外，双环金属谐振器还具备有入射角度的不敏感性，可以在一个较大的入射角度内维持电磁响应的稳定性，这是设计三维凹凸曲形地毯隐身衣的关键；通过调节双环金属谐振器的边长可以实现单元反射相位在360°范围内的任意调控；同时，双环金属谐振器具有四重旋转对称性，保证了超表面地毯隐身衣在x和y极化波下具有相同的电磁响应。

附图说明

图1为本发明中凹凸曲形地毯隐身衣的功能示意图。

图2为本发明中超表面单元结构示意图及其电磁响应。

图3为本发明中凹凸曲形地毯隐身衣的几何模型。

图4为本发明中地毯隐身衣的工作原理。

图5为本发明中地毯隐身衣单个周期内的单元相位。

图6为本发明中双环金属谐振器在二维平面内的分布。

图7为本发明中凹凸曲形地毯隐身衣。

图8为本发明仿真实验一中x极化波垂直入射下不同目标在12.5、13和13.5GHz处的远场方向图。

图9为本发明仿真实验一中x极化波垂直入射下不同目标在12.5、13和13.5GHz处的近场方向图。

图10为本发明仿真实验二中x极化波15°角斜入射下不同目标在12.5、13和13.5GHz处的远场方向图。

图11为本发明仿真实验二中x极化波15°角斜入射下不同目标在12.5、13和13.5GHz处的近场方向图。

图12为本发明仿真实验三中y极化波0°和15°角斜入射下隐身衣在12.5、13和13.5GHz处的远场方向图。

图13为本发明仿真实验三中y极化波0°和15°角斜入射下隐身衣在12.5、13和13.5GHz处的近场方向图。

图14为本发明实施例一中凹凸曲形地毯隐身衣样品组装流程。

图15为本发明实施例一中远场实验环境。

图16为本发明实施例一中近场实验环境。

图17为本发明实施例一中地毯隐身衣在二维平面内测试和仿真的远场电场对比结果。

图18为本发明实施例一中地毯隐身衣近场电场测试结果。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

一种凹凸曲形地毯隐身衣，从上到下包括三层结构，第一层为打印有双环金属谐振器的超薄介质板，第二层为树脂介质层，第三层为超薄金属板；所述超薄介质板共形在所述树脂介质层上，所述超薄金属板共形在所述树脂介质层的底部，能够起到阻止电磁波传输的作用；所述树脂介质层为曲面结构，且所述树脂介质层采用3D打印技术加工制备；也即本申请中的凹凸曲形地毯衣的打印有双环金属谐振器的超薄介质板、树脂介质层和超薄金属板均为完整的曲面结构，打印有双环金属谐振器的超薄介质板整体共形在树脂介质层上，超薄金属板整体共形在树脂介质层的底部，避免了现有技术中二维平面拼接结构在拼接位置处产生的棱角影响地毯隐身衣的工作性能，使其不能与曲形目标共形。

所述凹凸曲形地毯隐身衣可以看做是由M*N个超表面单元在空间内等间距周期延拓排列组成，要实现如附图1所示的隐身功能，超表面单元必须能够在360°反射相位范围内任意调控。

如附图2中(a)所示，每个所述超表面单元均包含打印有双环金属谐振器的超薄介质板、树脂介质层和超薄金属板三层，每个所述超表面单元的超薄介质板的一面均通过PCB技术打印有双环金属谐振器，另一面全腐蚀；

所述超表面单元上的双环金属谐振器包括外环和内环，所述外环与所述内环均为正方形金属条，且所述外环与所述内环中心点相同，外环的边长为a，内环边长为a/2，金属条的宽度均为w；h₁和h₂分别为超薄介质板和树脂介质的厚度；每个所述超表面单元的边长为p；不同超表面单元上的双环金属谐振器的a不同；与目前已经报道的金属谐振器相比，双环金属谐振器具备有双模谐振，可以打破原有的电磁色散特性，从而实现宽带的360°反射相位调控；除此之外，双环金属谐振器还具备有入射角度的不敏感性，可以在一个较大的入射角度内维持电磁响应的稳定性，这是设计三维凹凸曲形地毯隐身衣的关键；通过调节双环金属谐振器的边长可以实现单元反射相位在360°范围内的任意调控；同时，双环金属谐振器具有四重旋转对称性，保证了超表面地毯隐身衣在x和v极化波下具有相同的电磁响应。。

优选的，p＝9mm，w＝0.6mm，h₁＝0.1mm，h₂＝3mm；金属条为金属铜，金属铜的厚度为0.036mm；所述超薄介质板采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为ε_r＝2.65，电正切损耗为tan δ＝0.001；所述树脂介质层采用ABS-M30树脂介质，介电常数为ε_r＝2.7，电正切损耗为tan δ＝0.005；且所述树脂介质层采用3D打印技术加工制备。

进一步的，一种凹凸曲形地毯隐身衣的设计方法，包括以下步骤，

S1：设计双环金属谐振器，构建传输相位在360°范围内的调控模式；

实现隐身衣的根本方法是通过超表面单元产生的突变相位补偿光程差所积累的相位差，恢复类平面反射波前相位和幅度；因此，超表面单元需要实现360°范围内反射相位

任意调控，同时要求反射幅度|r_xx|/|r_yy|接近于₁，确保隐身衣的工作性能；选用双环金属谐振器结构可以在x和y极化波激励下通过改变双环金属谐振器结构的边长a实现超表面单元反射相位在360°范围内的任意可调，同时反射幅度也接近于1，满足隐身衣的设计需求。

为研究所设计超表面单元的电磁响应，令单元周期p＝9mm，金属条宽度w＝0.6mm。运用商业全波仿真软件CST对超表面单元进行仿真；在单元仿真过程中，x和y方向的边界条件被设置为unit cell边界条件，而z方向是open add space边界条件，单元被波端口激励；通过CST自带的参数扫描功能，计算出了单元在13GHz处，不同角度入射下的反射相位和幅度随参数a变化的谱线，结果如附图2中(b)部分所示，从附图2中(b)部分的仿真结果可以看出，当a在3～8mm之间变化时，超表面单元实现了360°范围内相位调控模式，反射幅度均接近于1，并且在不同入射角度下的反射相位和幅度几乎相同，这不仅是设计三维凹凸曲形地毯隐身衣的关键，而且保证了地毯隐身衣在一定的入射角度下正常工作。

S2：确定凹凸曲形地毯隐身衣的曲面几何形状函数并构建模型，根据相位补充原理，计算地毯隐身衣的相位分布；

具体的，S201：确定凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状由以下分段函数表示

S202：通过曲线化建模的方法在全波仿真软件CST中构造出隐身衣的几何模型，如附图3所示，材料为ABS-M30树脂介质，最终的隐身衣几何尺寸为L*W，L代表隐身衣在地面投影长度，W代表隐身衣在地面投影宽度；在附图3中，设计出来的隐身地毯整体维度为长L＝360mm，宽W＝180mm；与目前已公开的由多个平面拼接而成的隐身衣相比，本发明最终所构建的凹凸起伏形共形地毯隐身衣由一个完整曲面构成，这不仅解决了拼接位置处因棱角导致的性能恶化问题，而且还可以与曲面目标进行共形。

S203：根据相位补偿原理，选定选定相位参考面，计算隐身衣表面不同位置距参考面的垂直距离，然后计算出相应位置处的补偿相位，从而恢复与地平面相类似的反射波前，如附图4所示，其中，(a)为地平面反射波前；(b)为地毯隐身衣反射波前。

在本发明中当选择地面为相位参考面时，也即在直角坐标系中z＝0平面，根据附图4中所示的地毯隐身衣工作原理，需要补偿的相位

的计算公式为

式中，h表示隐身衣中超表面单元中心到地平面的距离，θ是电磁波相对于地平面的入射角度(本发明选择θ＝0°进行设计)，π是电磁波入射到地平面后半波损耗所引起的相位突变；

根据相位

的计算公式可知，当入射角度被确定以后，补偿相位仅仅与h有关，即到地平面相同距离处的补偿相位相同；而根据凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状可知，凹凸曲形地毯隐身衣到地平面的高度沿x方向发生变化，而沿y方向保持不变；这意味着仅仅需要排布沿x方向单个周期内的不连续相位分布，然后沿y方向周期延拓即可；

S204：对凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状分段函数进行曲线积分，求出隐身衣表面的曲线长度S＝370mm，确定单个周期内超表面单元的个数1*M；本发明中选择在xoz平面单个周期内排布1*M＝1*40个单元作为一个周期，如图5所示。

S205：计算单个周期内不连续相位分布，最后将单个周期沿y方向周期延拓N个周期求出整体相位分布。

结合相位

的计算公式和凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状函数，计算可得沿x轴负方向到正方向40个单元在目标频率13GHz处所对应的相位值；最后，在y方向周期延拓N＝20个周期结构完成地毯隐身衣整体的相位分布。

S3：将不连续相位位置中心投影到二维超薄介质板上，根据第二步计算的补偿相位，在二维超薄介质板上排布相应结构尺寸的双环金属谐振器单元；

由于需要将打印在超薄介质板上的双环金属谐振器共形在凹凸起伏形隐身衣轮廓表面，所以需要先在二维平面内排布双环金属谐振器；如附图6所示，与步骤S2相类似，也是先排布单个周期内的双环金属谐振器，即在宽为p，长为S的超薄介质板上排布单个周期的双环金属谐振器；然后进行y方向的周期延拓。具体的，

S301：将隐身衣表面不连续的相位中心投影在二维超薄介质板上作为超表面单元中心位置；

S302：根据步骤S2中计算的补偿相位找到对应的双环金属谐振器结构尺寸，在宽为p，长为S的超薄介质板上排布单个周期的双环金属谐振器；

S303：将单个周期结构整体沿y方向周期延拓N个周期完成二维平面内的双环金属谐振器排布。

S4：将带有双环金属谐振器的二维超薄介质板共形在凹凸曲形隐身衣的轮廓表面，将超薄金属板共形在凹凸曲形隐身衣的轮廓底部，组成凹凸曲形地毯隐身衣，如附图7所示，其中(a)为整体图，(b)为分解图。

仿真实验一：

该仿真实验用于验证本发明中凹凸曲形地毯隐身衣在x极化波垂直入射下的电磁特性。

具体的，为揭示本发明中隐身衣的工作性能，利用商业全波仿真软件CST(2018)对本发明中设计的地毯隐身衣进行了仿真计算。在仿真中，首先采用垂直入射的x极化平面波激励隐身衣。除此之外，x、y和z方向的边界条件均被设置为open add space，通过设置近场和远场监视器来获取近远场分布情况，从而进一步表征隐身衣的性能。

为体现凹凸曲形地毯隐身衣的功能，将相同尺寸和外形的裸金属、平面金属地板和地毯隐身衣的仿真结果进行对比分析，计算三个不同频率处(12.5GHz、13GHz和13.5GHz)的近远场结果，结果如附图8所示，当电磁波入射在裸金属目标表面时，目标不规则的外形打破了反射波前相位的一致性，将电磁波反射到了空间中的各个方向。然而，当凹凸曲形地毯隐身衣被引入以后，由于超表面单元补偿了不同光程所积累的额外相位，电磁波沿垂直入射方向发生了镜像反射，而其它方向的电场强度被抑制到了一个相当低的水平。将隐身衣和金属地板的远场方向图对比可以发现，在三个频率处，入射在超表面隐身衣的电磁波好似入射在平面金属板一样，均发生了镜像反射。以上三种不同情况的仿真结果证明，地毯隐身衣能消除目标对反射波的影响，使得被隐身衣覆盖的目标具备与平面地板相类似的镜像反射波前，进而可以迷惑敌方雷达，达到对地面目标进行隐身的目的。

进一步研究地毯隐身衣的雷达隐身性能，本仿真实验还对地毯隐身衣的近场电场分布进行了仿真计算和讨论。在仿真过程中，通过设置3个频率处的电场监视器来获取目标的反射电场，由于地毯隐身衣工作在反射模式下，近场监视器所得到的电场包括反射场和入射场两部分。为获得纯净的目标反射场，在后续的数据处理中将获得的混合场减去入射场来计算目标最终的反射场，结果如附图9所示。在附图9中，(a)(d)(g)是裸金属的近场电场分布结果，(b)(e)(h)是本发明中隐身衣的近场电场分布结果，(c)(f)(i)是金属地板的近场电场分布结果。

如附图9中(a)(d)(g)所示，与平面金属地板相比，在3个代表性频率处裸金属目标镜像反射波前的一致性均遭到了破坏，反射波前发生了严重扭曲。然而，在附图9的(b)(e)(h)中，当地毯隐身衣被引入以后，由于光程差所积累的相位差被超表面单元所补偿，所以，镜像反射波前的相位和幅度得到了恢复，电磁波以平行波前反射，反射波前恢复到了与附图9的(c)(f)(i)中金属地板反射波前相类似的水平。以上近远场仿真结果都证明了地毯隐身衣能消除目标对反射波的影响，恢复镜像反射波前，达到隐身地面目标的目的。除此之外，仿真结果也证明了地毯隐身衣在12.5～13.5GHz的频段内都可以保持一个良好的隐身效果，这具有很大的实际应用价值。

仿真实验二：

该仿真实验用于验证本发明中凹凸曲形地毯隐身衣在x极化波15°斜入射下的电磁特性。

在实际应用中，入射的电磁波往往以一定的角度照射在目标表面。因此，本仿真实验还研究了凹凸曲形地毯隐身在15°入射角下的隐身性能。在仿真设置中，平面波的入射角度被设置为-15°，其它条件与仿真实验一保持不变。采取同样的近远场分析方法来探究地毯隐身衣在斜入射下的隐身性能。其中，在斜入射下，不同目标在三个频率处的远场方向图仿真结果如附图10所示。在附图10中，(a)(d)(g)是裸金属的远场电场分布结果，(b)(e)(h)是本发明中隐身衣的远场电场分布结果，(c)(f)(i)是金属地板的远场电场分布结果。

在附图10的(a)(d)(g)中，当电磁波以-15°入射角照射在裸金属目标表面时，电磁波反射到了空间中的多个方向上，其反射行为表现出无规律性特征。然而，当电磁波入射在地毯隐身衣表面时，如附图10的(b)(e)(h)所示，反射波以相同的角度反射到了15°方向上，其效果与电磁波入射在平面金属地板相似。以上仿真结果充分证明了本发明所设计的地毯隐身衣在12.5～13.5GHz的带宽内都具有隐藏地面目标的功能。

为进一步验证本发明中地毯隐身衣的工作性能，本仿真实验还对地毯隐身衣的近场电场进行了研究，结果如附图11所示，其中，(a)(d)(g)是裸金属的近场电场分布结果，(b)(e)(h)是本发明中隐身衣的近场电场分布结果，(c)(f)(i)是金属地板的近场电场分布结果。

通过将裸金属目标和地毯隐身衣的近场电场分别与平面金属地板的近场电场对比可以发现，裸金属目标具有扭曲的反射波前，而超表面隐身衣引入以后，反射的电磁波波前得到了修正，并且反射波以一致的波前沿15°方向出射，这种电磁波反射行为与金属地板反射行为相类似，达到了预期的设计效果。值得指出的是，在隐身衣边界区域的反射波前出现了不一致的现象，这种现象的发生主要是仿真过程中空气边界与电场边界之间的耦合导致的。然而，在实际应用中，因为隐身地毯周围空气中也存在电场，所以这种耦合现象就会消失，波前就会恢复到正常状态，能够保证隐身衣的正常工作。以上仿真结果充分证明，所设计的地毯隐身衣在15°的入射角度下仍然能够在12.5～13.5GHz的频段内达到预期的隐身效果。

仿真实验三：

由于构成本发明中的地毯隐身衣的超表面单元是具有四重旋转对称性的各向同性结构，超表面应该表现出极化不敏感特性。为验证本发明中地毯隐身衣的极化不敏感特性，该仿真实验采用同样的表征方法仿真了y极化波激励下地毯隐身衣的远场方向图和近场电场分布。在仿真设置中，除了入射电磁波的极化不同之外，其他设置条件均与仿真实验一保持不变。在数据处理的过程中，也仍然采用混合场(反射场和入射场)减去入射场的方式来获得纯净的目标反射场。

本发明中地毯隐身衣在不同入射条件的下的电磁反射行为结果如附图12和附图13所示，其中，附图12为远场电场结果，附图13为近场电场结果，从附图12和附图13所示的远近场仿真结果可以看出，在y极化波入射下，超表面地毯隐身具有与x极化波入射相同的波前反射行为，即反射波以一致的波前沿着预定方向反射，这有力地证明了地毯隐身衣的极化不敏感特性。

实施例一：

为进行实验验证，利用本发明中的设计方法加工了一款凹凸曲形地毯隐身衣样品进行实验测试。加工流程主要包含两部分：首先采用PCB技术将位于顶层的金属单元结构打印在厚度为0.1mm的F4B超薄超薄介质板上面。然后，采用3D打印技术加工了中间厚度为3mm的ABS-M30树脂介质介质板，其中ABS-M30的介电常数是2.7，电正切损耗为0.005。最后，将以上各部分手工组装起来。各个部分详细的样品图和组装流程如附图14所示。在组装各部分样品的时候，采用A-B胶将各个样品粘合在一起，首先，将超薄铜箔粘在3D打印介质板的底部；然后，将超薄的顶层结构粘在介质板对应的位置处。最后，组装成本发明中的地毯隐身衣样品。

对组装后的地毯隐身衣样品进行实验验证，实验包括远场测试和近场测试两部分，远场测试环境如附图15所示，远场测试用于测试远场电场分布，在测试时，工作在2～18GHz的发射天线和超表面隐身衣固定在一起被置于可以绕中心轴旋转的圆柱泡沫中心，而工作在8～18GHz的标准增益接收天线被放置在距样品10m的圆柱泡沫上，用来接收反射场。在测试过程中所有电磁波信号均由一台AV3672B矢量网络分析仪发射。

近场实验环境如附图16所示，由于实验场地和实验设备的限制，本实施例只测试了垂直入射下样品的近场电场分布。在实验中，样品被安置在了具有一定高度的泡沫圆柱上面。为避免周围环境干扰实验结果，在样品的后面放置了一块吸波材料。一个工作在2～18GHz的线极化天线被安置在距离样品表面0.8m的位置处，保证入射在样品表面的电磁波为平面波。6mm长的单极子天线做为接收天线探测样品在xoz面内的电磁场。单极子天线被固定在2维平面自动扫描系统上，扫描的最大面积为0.36m×0.3m，步长为5mm。发射喇叭和接收天线通过微波电缆连接到矢量网络分析仪的两个端口。

在不同入射条件下的远场和近场测试结果如附图17和附图18所示，从附图17和附图18中可以看出，实验测试结果与仿真结果吻合良好，进一步证明了地毯隐身衣在12.5～13.5GHz的频段内确实可以消除目标对反射波的影响，修正扭曲的反射波前，使入射在隐身衣的电磁波与入射在金属平面的电磁波具有相同的镜像反射波前，从而起到隐身地面目标的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种凹凸曲形地毯隐身衣，其特征在于：从上到下包括三层结构，第一层为打印有双环金属谐振器的超薄介质板，第二层为树脂介质层，第三层为超薄金属板；所述超薄介质板共形在所述树脂介质层上，所述超薄金属板共形在所述树脂介质层的底部；所述树脂介质层为曲面结构；

所述凹凸曲形地毯隐身衣由M*N个超表面单元在空间内等间距周期延拓排列组成，每个所述超表面单元也包含打印有双环金属谐振器的超薄介质板、树脂介质层和超薄金属板三层，每个所述超表面单元的超薄介质板的一面均通过PCB技术打印有双环金属谐振器，另一面全腐蚀；

所述超表面单元上的双环金属谐振器包括外环和内环，所述外环与所述内环均为正方形金属条，且所述外环与所述内环中心点相同，外环的边长为a，内环边长为a/2，金属条的宽度均为w；h₁和h₂分别为超薄介质板和树脂介质的厚度；每个所述超表面单元的边长为p；不同超表面单元上的双环金属谐振器的a不同；

所述双环金属谐振器具有双模谐振和四重旋转对称性，实现单元反射相位在360°范围内的任意调控，保证了地毯隐身衣在x和y极化波下具有相同的电磁响应，实现宽带的360°反射相位调控。

2.根据权利要求1所述的一种凹凸曲形地毯隐身衣，其特征在于：p＝9mm，w＝0.6mm，h₁＝0.1mm，h₂＝3mm；金属条为金属铜，金属铜的厚度为0.036mm；所述超薄介质板采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数为ε_r＝2.65，电正切损耗为tanδ＝0.001；所述树脂介质层采用ABS-M30树脂介质，介电常数为ε_r＝2.7，电正切损耗为tanδ＝0.005；且所述树脂介质层采用3D打印技术加工制备。

3.如权利要求1或2所述的一种凹凸曲形地毯隐身衣的设计方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：设计双环金属谐振器，构建传输相位在360°范围内的调控模式；

S2：确定凹凸曲形地毯隐身衣的曲面几何形状函数并构建模型，根据相位补充原理，计算地毯隐身衣的相位分布；

S3：将不连续相位位置中心投影到超薄介质板上，根据第二步计算的补偿相位，在超薄介质板上排布相应结构尺寸的双环金属谐振器单元；

S4：将带有双环金属谐振器的超薄介质板共形在凹凸曲形隐身衣的轮廓表面，将超薄金属板共形在凹凸曲形隐身衣的轮廓底部，组成凹凸曲形地毯隐身衣。

4.根据权利要求3所述的一种凹凸曲形地毯隐身衣的设计方法，其特征在于，步骤S1中双环金属谐振器的设计原则为：实现隐身衣的根本方法是通过超表面单元产生的突变相位补偿光程差所积累的相位差，恢复类平面反射波前相位和幅度；因此，超表面单元需要实现360°范围内反射相位

任意调控，同时要求反射幅度|r_xx|/|r_yy|接近于1，确保隐身衣的工作性能；选用双环金属谐振器结构可以在x和y极化波激励下通过改变双环金属谐振器结构的边长a实现超表面单元反射相位在360°范围内的任意可调，同时反射幅度也接近于1，满足隐身衣的设计需求。

5.根据权利要求3所述的一种凹凸曲形地毯隐身衣的设计方法，其特征在于，步骤S2的具体操作步骤包括，

S201：确定凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状由以下分段函数表示

S202：通过曲线化建模的方法在全波仿真软件CST中构造出隐身衣的几何模型，材料为ABS-M30树脂介质，最终的隐身衣几何尺寸为L*W，L代表隐身衣在地面投影长度，W代表隐身衣在地面投影宽度；

S203：根据相位补偿原理，选定相位参考面，计算隐身衣表面不同位置距参考面的垂直距离，然后计算出相应位置处的补偿相位；当选择地面为相位参考面时，也即在直角坐标系中z＝0平面，则需要补偿的相位

的计算公式为

式中，h表示隐身衣中超表面单元中心到地平面的距离，θ是电磁波相对于地平面的入射角度，π是电磁波入射到地平面后半波损耗所引起的相位突变；

S204：对凹凸曲形地毯隐身衣的横截面几何形状分段函数进行曲线积分，求出隐身衣表面的曲线长度S，确定单个周期内超表面单元的个数1*M；

S205：计算单个周期内不连续相位分布，最后将单个周期沿y方向周期延拓N个周期求出整体相位分布。

6.根据权利要求5所述的一种凹凸曲形地毯隐身衣的设计方法，其特征在于，步骤S3的具体操作步骤包括，

S301：将隐身衣表面不连续的相位中心投影在二维超薄介质板上作为超表面单元中心位置；

S302：根据步骤S2中计算的补偿相位找到对应的双环金属谐振器结构尺寸，在宽为p，长为S的超薄介质板上排布单个周期的双环金属谐振器；

S303：将单个周期结构整体沿y方向周期延拓N个周期完成二维平面内的双环金属谐振器排布。

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