CN113721210B - 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面 - Google Patents

基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面 Download PDF

Info

Publication number
CN113721210B
CN113721210B CN202111028041.8A CN202111028041A CN113721210B CN 113721210 B CN113721210 B CN 113721210B CN 202111028041 A CN202111028041 A CN 202111028041A CN 113721210 B CN113721210 B CN 113721210B
Authority
CN
China
Prior art keywords
super
surface wave
absorbing units
wave
absorbing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111028041.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113721210A (zh
Inventor
袁方
毛瑞棋
付云起
陈强
郑月军
丁亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202111028041.8A priority Critical patent/CN113721210B/zh
Publication of CN113721210A publication Critical patent/CN113721210A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113721210B publication Critical patent/CN113721210B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4052—Means for monitoring or calibrating by simulation of echoes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于吸波‑对消的深度RCS减缩超表面设计方法及超表面，设计方法，包括：构建两种亚波长的超表面吸波单元；所述超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种所述超表面吸波单元具有预设范围的相位差；获取两种所述超表面吸波单元的反射曲线和相位差值曲线，并基于所述反射曲线和相位差值曲线确定两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，以获得最深的后向RCS减缩；根据确定出的两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个所述超表面的构成并进行建模仿真。本发明有机结合了两种RCS减缩机制，在能量域和空间域共同降低后向回波，在宽带范围内实现‑20dB及以上的RCS减缩。

Description

基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面设计方法及超表面
技术领域
本发明涉及雷达隐身技术领域，尤其涉及一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面设计方法及超表面。
背景技术
隐身特性是衡量特殊目标在相应场景下生存能力的重要指标，也是现代研究设计中最为重要的一个环节。具体的,雷达探测和跟踪目标的能力主要依赖于其检测到的目标RCS值，当目标的RCS由原来的σ1下降到σ2时，实际探测距离R1与下降前的探测距离R2满足以下关系。
由上式可知，当达到10dB的RCS减缩时，满足σ1/σ2＝0.1，得到R1/R2＝0.562，这表示雷达的探测距离降低为原来的56.2％。可见,当RCS减缩达到20-30dB时，雷达的探测距离下降为原来的三分之一到六分之一。因此，降低目标的RCS成为实现目标隐身的最重要途径。
相比传统雷达吸收材料(RAM)，超表面由于具有低剖面、低造价、二维材料易共形、设计简单灵活等诸多优点，已经逐渐代替RAM，成为目前RCS减缩材料研究中最为热门的领域。
超表面实现RCS减缩主要有两种方法，一种是将电磁波吸收，转换为内能，在能量域降低反射回波；另一种是利用相位对消技术，将反射波塑形，使能量偏折到非探测方向，在空间域降低后向RCS。经过近几年的研究，以上两种RCS减缩方式都取得较为丰硕的结果，基本上可以满足超宽带、大入射角、全极化等要求。然而，目前几乎所有的研究成果均是以RCS减缩10dB作为衡量指标。更高指标的RCS减缩超表面由于设计实现难度大、工作带宽窄、剖面过大等诸多因素，尚未出现行之有效的研究成果。随着超高精度、超长侦察距离的雷达探测技术日益发展，传统10dB的RCS减缩已经无法满足特殊目标的隐身需求，因此，亟需研究更高减缩指标的深度RCS减缩方法，以提升新形势下特殊目标的隐身能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面设计方法及超表面。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面设计方法，包括：
S1.构建两种亚波长的超表面吸波单元；其中，所述超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种所述超表面吸波单元具有预设范围的相位差；
S2.获取两种所述超表面吸波单元的反射曲线和相位差值曲线，并基于所述反射曲线和相位差值曲线确定两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，以获得最深的后向RCS减缩；
S3.根据确定出的两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个所述超表面的构成并进行建模仿真。
根据本发明的一个方面，步骤S2中，基于所述反射曲线和相位差值曲线确定两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，以获得最深的后向RCS减缩的步骤中，包括：
构建所述后向RCS减缩与两种所述超表面吸波单元之间的第一关系式；其中，以电磁波垂直入射到两种所述超表面吸波单元的场景构建包含所述所述数量比值和所述后向RCS减缩的第一关系式；
基于所述第一关系式确定出在一定带宽内最深的后向RCS减缩，以及与最深的后向RCS减缩相对应的所述数量比值。
根据本发明的一个方面，所述第一关系式满足：
其中，σr表示后向RCS减缩，nA表示整个超表面中，第一个所述超表面吸波单元的数量比值，nB表示整个超表面中，第二个所述超表面吸波单元的数量比值，nA+nB＝1；AA表示第一个所述超表面吸波单元的反射幅度，AB表示第二个所述超表面吸波单元的反射幅度；表示第一个所述超表面吸波单元的反射相位，/>表示第二个所述超表面吸波单元的反射相位。
根据本发明的一个方面，步骤S1中，构建两种亚波长的超表面吸波单元的步骤中，包括：
将所述超表面吸波单元设置为旋转对称的，以获得所述极化不敏感特性；
将所述超表面吸波单元设置为在宽带内满足阻抗匹配条件，以获得所述宽频带吸波特性；
将两种所述超表面吸波单元工作的谐振点进行偏移，以使得两种所述超表面吸波单元之间具有预设范围的相位差；
基于所述极化不敏感特性、所述宽频带吸波特性和所述相位差，利用仿真软件对两种所述超表面吸波单元的结构参数进行优化，以构建出两种所述超表面吸波单元。
根据本发明的一个方面，所述超表面吸波单元包括：反射层，介质层和电阻膜结构层；
所述反射层和所述电阻膜结构层在所述介质层的相对两侧设置；
所述反射层为金属反射层；
所述电阻膜结构层包括：基层，以及设置在所述基层上且具有一定阻值的旋转对称图案。
根据本发明的一个方面，步骤S3中，根据确定出的两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个所述超表面的构成并进行建模仿真的步骤中，包括：
根据两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值构建包含两种所述超表面吸波单元的超表面子阵；
基于整个所述超表面的尺寸确定所述超表面子阵的布置数量；
将所述超表面子阵的布置数量，所述超表面吸波单元的结构输入至仿真软件中建立整个所述超表面，并进行全波仿真；
或者，
步骤S3中，根据确定出的两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个所述超表面的构成并进行建模仿真的步骤中，包括：
基于整个所述超表面的尺寸，以及根据两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定两种所述超表面吸波单元的布置数量；
将两种所述超表面吸波单元的布置数量，所述超表面吸波单元的结构输入至仿真软件中建立整个所述超表面，并进行全波仿真。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面，包括：两种亚波长的超表面吸波单元；
所述超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种所述超表面吸波单元之间具有预设范围的相位差。
根据本发明的一个方面，所述超表面吸波单元包括：反射层，介质层和电阻膜结构层；
所述反射层和所述电阻膜结构层在所述介质层的相对两侧设置；
所述反射层为金属反射层；
所述电阻膜结构层包括：基层，以及设置在所述基层上且具有一定阻值的旋转对称图案。
根据本发明的一个方面，所述超表面子阵中，两种所述超表面吸波单元与整个所述超表面之间满足：
其中，σr表示后向RCS减缩，nA表示整个超表面中，第一个所述超表面吸波单元的数量比值，nB表示整个超表面中，第二个所述超表面吸波单元的数量比值，nA+nB＝1；AA表示第一个所述超表面吸波单元的反射幅度，AB表示第二个所述超表面吸波单元的反射幅度；表示第一个所述超表面吸波单元的反射相位，/>表示第二个所述超表面吸波单元的反射相位。
根据本发明的一个方面，第一个所述超表面吸波单元在整个所述超表面中的占比为nA/(nA+nB)；其中，以设定的RCS减缩目标获取满足该RCS减缩目标的所述占比的取值范围，在所述占比的取值范围内，两个所述超表面吸波单元对应的相位差最大时，为所述占比的最优值，此时满足所述RCS减缩目标的的带宽最宽；
两个所述超表面吸波单元的电阻膜结构层上的阻值是不同的。
根据本发明的一种方案，本发明的方法有机结合了两种RCS减缩机制，在能量域和空间域共同降低后向回波，在宽带范围内实现-20dB及以上的RCS减缩。
根据本发明的一种方案，本发明的方法简单高效，在改善了现有RCS减缩超表面的减缩能力的同时,还具有低剖面、极化不敏感等优异性能，在电磁隐身领域具有重要潜在应用前景。
根据本发明的一种方案，本发明的双机制深度RCS减缩超表面首次将吸波和对消两种降低RCS的方法有机结合起来，从而实现更低的RCS这一目标。
根据本发明的一种方案，本发明可以在保持原有RCS减缩10dB带宽基础上，扩展20dB减缩带宽，同时具有极化不敏感，厚度薄，设计简单，易加工等优异特性。
根据本发明的一种方案，本发明采用单层的电阻膜结构层即可实现吸波对消双机制在工作频带内同时生效，在目标频带内获得更低的RCS。对线极化和圆极化同时生效，极化不敏感。
根据本发明的一种方案，本发明能够实现宽带范围内具有更低RCS，即对现有的10dB的RCS缩减指标进一步提高为20dB。在20dB缩减带宽提高的同时，还能保证10dB缩减的带宽不被破坏。
根据本发明的一种方案，本发明通过将第一个超表面吸波单元的数量占比设置在上述范围内，保证了两种超表面单元数量的合理分配，以实现不同超表面单元达到更优的吸波及对消效果，有效的保证了本发明的使用有效性。
附图说明
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的深度RCS减缩超表面设计方法的步骤框图；
图2是示意性表示根据本发明的第一种实施方式所采用的具有180°相位差的两种吸波单元A和吸波单元B的结构图；
图3是示意性表示根据本发明的第一种实施方式的吸波单元A和吸波单元B的反射幅度曲线图；
图4是示意性表示根据本发明的第一种实施方式的吸波单元A和吸波单元B的反射相位差值曲线图；
图5是示意性表示根据本发明的第一种实施方式的采用的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面子阵图；
图6是示意性表示根据本发明的第一种实施方式的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面结构图；
图7是示意性表示根据本发明的第一种实施方式的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面与同尺寸金属平板在14GHz处的三维散射方向图；
图8是示意性表示根据本发明的第一种实施方式的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面与同尺寸金属板的RCS对比曲线图；
图9是示意性表示根据本发明的第一种实施方式的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面RCS减缩值曲线图；
图10是示意性表示根据本发明的第二种实施方式所采用的具有180°相位差的两种吸波单元A和吸波单元B的结构图；
图11是示意性表示根据本发明的第二种实施方式所采用的单元介质组成结构图；
图12是示意性表示根据本发明的第二种实施方式的吸波单元A和吸波单元B的反射幅度曲线图；
图13是示意性表示根据本发明的第二种实施方式的吸波单元A和吸波单元B的反射相位差值曲线图；
图14是示意性表示根据本发明的第二种实施方式的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面结构图；
图15是示意性表示根据本发明的第二种实施方式的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面与同尺寸金属板的RCS对比曲线图；
图16是示意性表示根据本发明的第二种实施方式的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面RCS减缩值曲线图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
实施例1
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面设计方法，包括：
S1.构建两种亚波长的超表面吸波单元；其中，超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种超表面吸波单元具有预设范围的相位差；
S2.获取两种超表面吸波单元的反射曲线和相位差值曲线，并基于反射曲线和相位差值曲线确定两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，以获得最深的后向RCS减缩；
S3.根据确定出的两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个超表面的构成并进行建模仿真。
根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，构建两种亚波长的超表面吸波单元的步骤中，用于获取具有带宽吸波、极化不敏感、以及具有一定相位差(例如180°左右)的两种亚波长超表面吸波单元，其基本理论依据是由系列单元构成超表面的群集响应会继承单元的宽带吸波、极化不敏感及相位对消特性。因此，在本步骤中包括：
根据极化转化相关领域知识，将超表面吸波单元设置为旋转对称的，以获得极化不敏感特性；
根据匹配吸波相关领域知识，将超表面吸波单元设置为在宽带内满足阻抗匹配条件，以获得宽频带吸波特性；
然后对两种超表面吸波单元工作的谐振点进行偏移，以使得两种超表面吸波单元之间具有预设范围(例如180°左右)的相位差；
基于极化不敏感特性、宽频带吸波特性和相位差，利用仿真软件对两种超表面吸波单元的结构参数进行优化，以构建出两种超表面吸波单元。
基于上述条件，在本实施方式中设计了一种双方环多模反射电阻膜单元结构，如图2所示。在本实施方式中，本发明的两种超表面吸波单元均采用以下结构，其包括：反射层1，介质层2和电阻膜结构层3。在本实施方式中，反射层和电阻膜结构层在介质层的相对两侧设置。在本实施方式中，反射层为金属反射层(如，金属铜反射层)；在本实施方式中，电阻膜结构层包括：基层，以及设置在基层上且具有一定阻值的旋转对称图案。
通过上述设置,使得电阻膜结构层和底板(即反射层1)的耦合提供谐振于不同频率的多个磁谐振模式，利用多模级联思想打开单元在边缘频率处的相位，从而最终达到拓展单元工作带宽的目的。同时由于单元具有旋转对称特性，不同极化电磁波照射到超表面时会产生相似散射频谱，单元电磁散射响应对x、y线极化波具有极化不敏感性。
将上述两种超表面吸波单元分别记为吸波单元A(即第一个超表面吸波单元)和吸波单元B(即第二个超表面吸波单元)；其中，吸波单元A和吸波单元B的周期(即端面尺寸)为p，在上述结构中，具有特定方阻值的电阻膜结构层中闭合环的宽度均为d，介质层的厚度为h，反射层厚度为c。吸波单元A的双环图案的外环尺寸为a1，内环尺寸为a2；吸波单元B的双环图案的外环尺寸为b1，内环尺寸为b2。
由此，利用商业仿真软件对上述吸波单元A和吸波单元B的结构参数进行优化后，最终确定图2中两个单元的端面尺寸为p＝10mm，介质层厚度h＝3mm，双方环图案中每个环的环宽d＝0.5mm，反射层厚度c＝0.018mm；吸波单元A的双环图案的外环尺寸a1＝5mm，内环尺寸a2＝2mm，吸波单元B的双环图案的外环尺寸b1＝6mm，内环尺寸b2＝3mm；吸波单元A的电阻膜结构层中双方环的方阻值为10欧，吸波单元B的电阻膜结构层中双方环的方阻值为30欧。介质层材选择相对介电常数为3的旺灵F4BM300，损耗正切为0.001。
基于上述设置，进一步确定出两种超表面吸波单元的反射幅度曲线(参见图3)和两种超表面吸波单元的反射相位差值曲线(参见图4)。如图3所示，吸波单元A在9.8-17.5GHz的宽带范围内满足10dB的吸收，而20dB以上的吸收带宽只有10.9-12.3GHz。如图4所示，吸波单元A和吸波单元B的反射相位差在11.5-15GHz频带内都可以保持180°左右的相位差。合理利用吸波单元A和吸波单元B，就可以实现在宽带范围内既吸波，又对消的双机制RCS减缩工作模式。
根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，基于反射曲线和相位差值曲线确定两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，以获得最深的后向RCS减缩的步骤中，包括：
构建后向RCS减缩与两种超表面吸波单元之间的第一关系式；其中，以电磁波垂直入射到两种超表面吸波单元的场景构建包含数量比值和后向RCS减缩的第一关系式；
基于第一关系式确定出在一定带宽内最深的后向RCS减缩，以及与最深的后向RCS减缩相对应的数量比值。
根据本发明的一种实施方式，第一关系式满足：
其中，σr表示后向RCS减缩，nA表示整个超表面中，第一个超表面吸波单元的数量比值，nB表示整个超表面中，第二个超表面吸波单元的数量比值，nA+nB＝1；AA表示第一个超表面吸波单元的反射幅度，AB表示第二个超表面吸波单元的反射幅度；表示第一个超表面吸波单元的反射相位，/>表示第二个超表面吸波单元的反射相位。
在本实施方式中，基于前述步骤获得的两种超表面吸波单元的反射幅度曲线(参见图3)和两种超表面吸波单元的反射相位差值曲线(参见图4)的曲线数据，设置RCS减缩目标为20dB,即σr＜-20，得到超表面吸波单元A在整个超表面中的占比nA/(nA+nB)的取值范围为0.72-0.80；在该占比的取值范围内，进行优化比对后，选取吸波单元A与吸波单元的B的比值为3比1，也即nA/(nA+nB)＝0.75，nB/(nA+nB)＝0.25，此时两个超表面吸波单元对应的相位差范围最大，可以获得最宽的20dB缩减带宽。
根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，根据确定出的两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个超表面的构成并进行建模仿真的步骤中，包括：
根据两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值构建包含两种超表面吸波单元的超表面子阵；在本实施方式中，为了实现两种单元更好的对消和单元间谐振模式级联的相互作用，确定了如图5所示的超表面子阵对消结构。
基于整个超表面的尺寸确定超表面子阵的布置数量；在本实施方式中，最终设计的深度RCS减缩超表面由5×5个子阵组成(10×10个单元)，其中75个A单元，25个B单元，如图6所示。
将超表面子阵的布置数量，超表面吸波单元的结构输入至仿真软件中建立整个超表面，并进行全波仿真。在本实施方式中，在CST中利用VBA宏建立该超表面结构，并在8-18GHz频段进行全波仿真。
为进一步说明本发明的效果，进而对该发明的进行实验检验。如图7所示，其为本发明中上述获得的吸波-对消双机制的深度RCS减缩超表面在14GHz处远场三维反射结果和同尺寸金属平板的对比示意图。从图中可以看出，双机制的深度RCS减缩超表面可以很好的继承吸波单元A个体良好吸波特性的同时，又能表现出吸波单元A与吸波单元B间因反射相位差引起的对消从而导致波束打散的效果。这两种RCS减缩方法的有效叠加，可以使得后向回波能量进一步降低，实现深度RCS减缩。
为了更好的展示宽带深度RCS减缩效果，如图8展示了上述所设计的超表面和同尺寸金属平板在相同条件垂直入射下的RCS曲线对比图。从图中可以看出，在吸波单元A和吸波单元B满足180°相位差的11.5-15GHz频带内，相比金属平板，双机制超表面RCS出现明显的低点。如图9展示了上述所设计的超表面RCS减缩值曲线图，从图中可以更清楚的看出，20dB以上的RCS减缩带宽达到了11.5-16.5GHz，25dB的减缩带宽达到了11.8-15.8GHz。与此同时，10dB带宽达到了10.2-18GHz。相比图3中吸波单元A在9.8-17.5GHz频带内10dB的RCS减缩，本发明所设计的双机制RCS减缩超表面在基本保持吸波单元A的10dB减缩带宽不变的同时，合理利用吸波单元B与吸波单元A的相位差，实现了吸波和相位对消双机制RCS减缩，扩展了20dB减缩带宽和25dB减缩带宽，极大的压制了雷达探测距离，对隐身装备的升级发展具有较大的意义。
根据本发明的另一种实施方式，步骤S3中，根据确定出的两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个超表面的构成并进行建模仿真的步骤中，包括：
基于整个超表面的尺寸，以及根据两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定两种超表面吸波单元的布置数量；
将两种超表面吸波单元的布置数量，超表面吸波单元的结构输入至仿真软件中建立整个超表面，并进行全波仿真。
结合图2、图5和图6所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面，包括：两种亚波长的超表面吸波单元。在本实施方式中，超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种超表面吸波单元之间具有预设范围的相位差。
结合图2、图5和图6所示，根据本发明的一种实施方式，超表面吸波单元包括：反射层1，介质层2和电阻膜结构层3。在本实施方式中，反射层和电阻膜结构层在介质层的相对两侧设置。在本实施方式中，反射层为金属反射层。在本实施方式中，电阻膜结构层包括：基层，以及设置在基层上且具有一定阻值的旋转对称图案(例如，双方环图案)。
根据本发明的一种实施方式，超表面子阵中，两种超表面吸波单元与整个超表面之间满足：
其中，σr表示后向RCS减缩，nA表示整个超表面中，第一个超表面吸波单元的数量比值，nB表示整个超表面中，第二个超表面吸波单元的数量比值，nA+nB＝1；AA表示第一个超表面吸波单元的反射幅度，AB表示第二个超表面吸波单元的反射幅度；表示第一个超表面吸波单元的反射相位，/>表示第二个超表面吸波单元的反射相位。
根据本发明的一种实施方式，第一个超表面吸波单元的数量与第二个超表面吸波单元的数量之比为3∶1。
根据本发明的一种实施方式，两个超表面吸波单元的电阻膜结构层上的阻值是不同的。
实施例2
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面设计方法，包括：
S1.构建两种亚波长的超表面吸波单元；其中，超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种超表面吸波单元具有预设范围的相位差；
S2.获取两种超表面吸波单元的反射曲线和相位差值曲线，并基于反射曲线和相位差值曲线确定两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，以获得最深的后向RCS减缩；
S3.根据确定出的两种超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个超表面的构成并进行建模仿真。
根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，构建两种亚波长的超表面吸波单元的步骤中，用于获取具有带宽吸波、极化不敏感、以及具有一定相位差(例如180°左右)的两种亚波长超表面吸波单元，其基本理论依据是由系列单元构成超表面的群集响应会继承单元的宽带吸波、极化不敏感及相位对消特性。因此，在本步骤中包括：
根据极化转化相关领域知识，将超表面吸波单元设置为旋转对称的，以获得极化不敏感特性；
根据匹配吸波相关领域知识，将超表面吸波单元设置为在宽带内满足阻抗匹配条件，以获得宽频带吸波特性；
然后对两种超表面吸波单元工作的谐振点进行偏移，以使得两种超表面吸波单元之间具有预设范围(例如180°左右)的相位差；
基于极化不敏感特性、宽频带吸波特性和相位差，利用仿真软件对两种超表面吸波单元的结构参数进行优化，以构建出两种超表面吸波单元。
基于上述条件，在本实施方式中设计了一种交叉十字多模反射电阻膜单元结构，如图10所示。在本实施方式中，本发明的两种超表面吸波单元均采用以下结构，其包括：反射层1，介质层2和电阻膜结构层3。在本实施方式中，反射层和电阻膜结构层在介质层的相对两侧设置。在本实施方式中，反射层为金属反射层(如，金属铜反射层)；在本实施方式中，电阻膜结构层包括：基层，以及设置在基层上且具有一定阻值的旋转对称图案。
通过上述设置,使得电阻膜结构层和底板(即反射层1)的耦合提供谐振于不同频率的多个磁谐振模式，利用多模级联思想打开单元在边缘频率处的相位，从而最终达到拓展单元工作带宽的目的。同时由于单元具有旋转对称特性，不同极化电磁波照射到超表面时会产生相似散射频谱，单元电磁散射响应对x、y线极化波具有极化不敏感性。
将上述两种超表面吸波单元分别记为吸波单元A和吸波单元B；其中，吸波单元A和吸波单元B的周期(即端面尺寸)为q，在上述结构中，具有特定方阻值的电阻膜结构层中交叉十字的臂长均为q1，A单元的臂宽为d1，B单元的臂宽为d2，介质层的厚度为h。
由此，利用商业仿真软件对上述吸波单元A和吸波单元B的结构参数进行优化后，单元A和单元B的周期为q＝13.2mm,上层电阻膜结构层的图案均为“交叉十字”形，且十字臂的臂长均为q1＝12.9mm。吸波单元A上十字臂的臂宽为d1＝4.1mm，吸波单元B上十字臂的臂宽为d2＝1.7mm。构成吸波单元A的“交叉十字”电阻膜方阻为57Ω/sq，构成吸波单元B的“交叉十字”电阻膜方阻为60Ω/sq。
在本实施方式中，吸波单元A和吸波单元B均为单层超表面结构单元(即具有超表面特征的电阻膜结构层只有一层)，最上面为具有图案的电阻膜结构层，中间为介质层，底面为全反射金属板制成的反射层。在本实施方式中，介质层由三层组成，如图11所示。最上层和最下层均为厚度为0.175mm的PET板2a，相对介电常数为3；中间层为厚度7mm的空气介质2b，相对介电常数为1。电阻膜结构层上的“交叉十字”图案为旋转对称单元，具有极化不敏感特性。在本实施方式中，这种中间为空气的介质层在实际应用中可以用相对介电常数近似为1的柔性泡沫替代；同时，PET材质本身具备一定柔性，因此可以在曲面共形领域使用，突破平面结构的局限，有效提高了本发明的使用灵活性和适用范围。
在本实施方式中，利用CST微波工作室对单元A和单元B进行仿真，得到吸波单元A与吸波单元B的反射幅度曲线(参见图12)和吸波单元A与吸波单元B的反射相位差曲线(参见图13)。由图中可以看出，根据前述设置所得到的吸波单元A和吸波单元B在4-14GHz附近，均能实现较好的吸波效果，且在5-12GHz内，相位差可以满足180°附近。根据以下公式：
将预设频带内，吸波单元A和吸波单元B每个频点的反射幅度值AA和AB及反射相位和/>代入上式，设置减缩目标为20dB,即σr<-20。当吸波单元A和吸波单元B的比例为1比1时，即nA/(nA+nB)＝nB/(nA+nB)＝0.5时，对应的相位差/>范围最大，可以获得最宽的20dB缩减带宽，因此，根据该比例构建超表面，如图14所示。对该超表面进行全波仿真，所得的到的单站RCS曲线图与同尺寸金属板作对比，如图15所示。可以看出，在4-14GHz范围内，RCS得到较低的缩减。为了进一步观察超表面RCS缩减的能力，给出了超表面RCS缩减值曲线图，如图16所示。可以看出，所设计的超表面在6-12GHz范围内达到了20dB以上的RCS缩减，20dBs缩减相对带宽为66.7％，同时10dB缩减带宽也达到了4.3-14.2GHz，10dB相对带宽为107％。因此，可以有效证明该方法可以在宽带条件下获得20dB缩减带宽，使得宽带范围内RCS值进一步降低。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面设计方法，包括：
S1.构建两种亚波长的超表面吸波单元；其中，所述超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种所述超表面吸波单元具有预设范围的相位差；
S2.获取两种所述超表面吸波单元的反射曲线和相位差值曲线，并基于所述反射曲线和相位差值曲线确定两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，以获得最深的后向RCS减缩；其包括：
构建所述后向RCS减缩与两种所述超表面吸波单元之间的第一关系式；其中，以电磁波垂直入射到两种所述超表面吸波单元的场景构建包含所述数量比值和所述后向RCS减缩的第一关系式；
基于所述第一关系式确定出在一定带宽内最深的后向RCS减缩，以及与最深的后向RCS减缩相对应的所述数量比值；
S3.根据确定出的两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个所述超表面的构成并进行建模仿真；
所述第一关系式满足：
其中，σr表示后向RCS减缩，nA表示整个超表面中，第一个所述超表面吸波单元的数量比值，nB表示整个超表面中，第二个所述超表面吸波单元的数量比值，nA+nB＝1；AA表示第一个所述超表面吸波单元的反射幅度，AB表示第二个所述超表面吸波单元的反射幅度；表示第一个所述超表面吸波单元的反射相位，/>表示第二个所述超表面吸波单元的反射相位。
2.根据权利要求1所述的深度RCS减缩超表面设计方法，其特征在于，步骤S1中，构建两种亚波长的超表面吸波单元的步骤中，包括：
将所述超表面吸波单元设置为旋转对称的，以获得所述极化不敏感特性；
将所述超表面吸波单元设置为在宽带内满足阻抗匹配条件，以获得所述宽频带吸波特性；
将两种所述超表面吸波单元工作的谐振点进行偏移，以使得两种所述超表面吸波单元之间具有预设范围的相位差；
基于所述极化不敏感特性、所述宽频带吸波特性和所述相位差，利用仿真软件对两种所述超表面吸波单元的结构参数进行优化，以构建出两种所述超表面吸波单元。
3.根据权利要求2所述的深度RCS减缩超表面设计方法，其特征在于，所述超表面吸波单元包括：反射层，介质层和电阻膜结构层；
所述反射层和所述电阻膜结构层在所述介质层的相对两侧设置；
所述反射层为金属反射层；
所述电阻膜结构层包括：基层，以及设置在所述基层上且具有一定阻值的旋转对称图案。
4.根据权利要求1至3任一项所述的深度RCS减缩超表面设计方法，其特征在于，步骤S3中，根据确定出的两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个所述超表面的构成并进行建模仿真的步骤中，包括：
根据两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值构建包含两种所述超表面吸波单元的超表面子阵；
基于整个所述超表面的尺寸确定所述超表面子阵的布置数量；
将所述超表面子阵的布置数量，所述超表面吸波单元的结构输入至仿真软件中建立整个所述超表面，并进行全波仿真；
或者，
步骤S3中，根据确定出的两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定整个所述超表面的构成并进行建模仿真的步骤中，包括：
基于整个所述超表面的尺寸，以及根据两种所述超表面吸波单元在整个超表面中的数量比值，确定两种所述超表面吸波单元的布置数量；
将两种所述超表面吸波单元的布置数量，所述超表面吸波单元的结构输入至仿真软件中建立整个所述超表面，并进行全波仿真。
5.一种基于吸波-对消的深度RCS减缩超表面，其特征在于，包括：两种亚波长的超表面吸波单元；
所述超表面吸波单元具有极化不敏感特性，宽频带吸波特性，以及两种所述超表面吸波单元之间具有预设范围的相位差；
两种所述超表面吸波单元与整个所述超表面之间满足：
其中，σr表示后向RCS减缩，nA表示整个超表面中，第一个所述超表面吸波单元的数量比值，nB表示整个超表面中，第二个所述超表面吸波单元的数量比值，nA+nB＝1；AA表示第一个所述超表面吸波单元的反射幅度，AB表示第二个所述超表面吸波单元的反射幅度；表示第一个所述超表面吸波单元的反射相位，/>表示第二个所述超表面吸波单元的反射相位。
6.根据权利要求5所述的深度RCS减缩超表面，其特征在于，所述超表面吸波单元包括：反射层，介质层和电阻膜结构层；
所述反射层和所述电阻膜结构层在所述介质层的相对两侧设置；
所述反射层为金属反射层；
所述电阻膜结构层包括：基层，以及设置在所述基层上且具有一定阻值的旋转对称图案。
7.根据权利要求6所述的深度RCS减缩超表面，其特征在于，第一个所述超表面吸波单元在整个所述超表面中的占比为nA/(nA+nB)；其中，以设定的RCS减缩目标获取满足该RCS减缩目标的所述占比的取值范围，在所述占比的取值范围内，两个所述超表面吸波单元对应的相位差最大时，为所述占比的最优值，此时满足所述RCS减缩目标的带宽最宽；
两个所述超表面吸波单元的电阻膜结构层上的阻值是不同的。
CN202111028041.8A 2021-09-02 2021-09-02 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面 Active CN113721210B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111028041.8A CN113721210B (zh) 2021-09-02 2021-09-02 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111028041.8A CN113721210B (zh) 2021-09-02 2021-09-02 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113721210A CN113721210A (zh) 2021-11-30
CN113721210B true CN113721210B (zh) 2023-07-25

Family

ID=78681155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111028041.8A Active CN113721210B (zh) 2021-09-02 2021-09-02 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113721210B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017181530A1 (zh) * 2016-04-20 2017-10-26 中国科学院光电技术研究所 宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构
CN107465000A (zh) * 2017-07-23 2017-12-12 中国人民解放军空军工程大学 宽带、极化不敏感螺旋编码rcs减缩超表面及其设计方法
FR3058001A1 (fr) * 2016-10-24 2018-04-27 Airbus Group Sas Revetement pour la dissimulation d'objets au rayonnement electromagnetique d'antennes
EP3439107A1 (en) * 2017-08-01 2019-02-06 University Of Cyprus Realizing programmable wireless enviroments through software-controlled metasurfaces
CN109904623A (zh) * 2019-03-12 2019-06-18 东南大学 一种宽带吸波、散射可调超表面
EP3701591A1 (en) * 2017-10-27 2020-09-02 Thales Canada Inc. Near-grazing retroreflectors for polarization
CN111900548A (zh) * 2020-08-28 2020-11-06 西安电子科技大学 基于吸波材料和超表面结合的超宽带低散射超材料
CN111900546A (zh) * 2020-08-18 2020-11-06 西安电子科技大学 用于宽带宽角rcs减缩的混合机理电磁超表面

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140085693A1 (en) * 2012-09-26 2014-03-27 Northeastern University Metasurface nanoantennas for light processing
US9912069B2 (en) * 2014-10-21 2018-03-06 Board Of Regents, The University Of Texas System Dual-polarized, broadband metasurface cloaks for antenna applications

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017181530A1 (zh) * 2016-04-20 2017-10-26 中国科学院光电技术研究所 宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构
FR3058001A1 (fr) * 2016-10-24 2018-04-27 Airbus Group Sas Revetement pour la dissimulation d'objets au rayonnement electromagnetique d'antennes
CN107465000A (zh) * 2017-07-23 2017-12-12 中国人民解放军空军工程大学 宽带、极化不敏感螺旋编码rcs减缩超表面及其设计方法
EP3439107A1 (en) * 2017-08-01 2019-02-06 University Of Cyprus Realizing programmable wireless enviroments through software-controlled metasurfaces
EP3701591A1 (en) * 2017-10-27 2020-09-02 Thales Canada Inc. Near-grazing retroreflectors for polarization
CN109904623A (zh) * 2019-03-12 2019-06-18 东南大学 一种宽带吸波、散射可调超表面
CN111900546A (zh) * 2020-08-18 2020-11-06 西安电子科技大学 用于宽带宽角rcs减缩的混合机理电磁超表面
CN111900548A (zh) * 2020-08-28 2020-11-06 西安电子科技大学 基于吸波材料和超表面结合的超宽带低散射超材料

Non-Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Analysis and Design of a High-Transmittance Performance for Varactor-Tunable Frequency-Selective Surface;Min Guo 等;《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》;第4623-4632页 *
Broadband radar cross section reduction by in-plane integration of scattering metasurfaces and magnetic absorbing materials;Wei Li 等;《Results in Physics》;第1964-1970页 *
Wideband RCS Reduction Metasurface With a Transmission Window;Yongqiang Pang 等;《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》;第7079-7087页 *
一种用于宽带RCS减缩的电磁超表面;穆欣;《现代导航》;第377-380页 *
一种编码式低雷达散射截面超表面天线阵列设计;郝彪 等;《物理学报》;第1-11页 *
一种高增益低雷达散射截面的新型圆极化微带天线设计;丛丽丽 等;《物理学报》;第1-9页 *
共享孔径超表面设计及其在提升波导缝隙天线辐射和散射性能中的应用;韩彤 等;《空军工程大学学报(自然科学版)》;第31-37页 *
基于十字形结构的相位梯度超表面设计与雷达散射截面缩减验证;吴晨骏 等;《物理学报》;第1-5页 *
基于宽带吸波体的低雷达散射截面平面印刷磁电偶极子天线设计;兰俊祥 等;《电子与信息学报》;第1122-1129页 *
基于嵌入超表面的雷达吸波结构带宽拓展方法研究;庄海燕 等;《材料开发与应用》;第96-101页 *
基于智能算法的超材料快速优化设计方法研究进展;贾宇翔 等;《雷达学报》;第220-239页 *
基于超材料和FSS的全频微带天线RCS减缩;李振亚 等;《航天电子对抗》;第46-48、64页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113721210A (zh) 2021-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104993249B (zh) 单通带双侧吸波复合超材料及其天线罩和天线系统
CN108470973B (zh) 基于缝隙加载的宽带rcs缩减超表面
CN108957429B (zh) 一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构及超宽带雷达
Xue et al. Chessboard AMC surface based on quasi-fractal structure for wideband RCS reduction
CN110165414B (zh) 一种用于宽带RCS减缩的反射型宽带4-bit编码超表面
KR101265921B1 (ko) 집적 안테나의 레이더 단면적을 감소시키는 방법 및 장치
CN103490169B (zh) 单层宽带随机表面
Yigit et al. Determination of optimal layer sequence and thickness for broadband multilayer absorber design using double-stage artificial bee colony algorithm
CN110098487A (zh) 一种超宽带雷达散射截面缩减超表面
CN201994420U (zh) 一种具有双频带特性的十字螺旋fss结构
CN105870638A (zh) 一种基于分形单元的频率选择表面结构及窗口吸收体
CN107394412B (zh) 一种五频段复用的人工磁导体反射板
CN206962022U (zh) Ka、W波段双频双线极化频率选择表面
CN204011735U (zh) 单层宽带随机表面
CN113721210B (zh) 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面
CN110011060B (zh) 一种电磁伪装超材料及其应用
Sudhendra et al. FSS radomes for antenna RCS reduction
KR102213841B1 (ko) 전파 흡수체 및 그의 제조 방법
Wu et al. Dual-band periodic beam scanning antenna using eighth mode substrate integrated waveguide based metamaterial transmission line
CN106934102B (zh) 基于迭代傅里叶算法设计宽带随机表面的方法
CN113690626A (zh) 一种大角度的宽带超材料吸波结构及其设计方法
CN113690628B (zh) 基于新型电磁超材料的低散射超宽带强耦合相控阵天线
Feresidis et al. Flat plate millimetre wave antenna based on partially reflective FSS
Wang et al. A Metasurface for Boardband RCS Reduction
CN111029788A (zh) 具有角度与极化不敏感性的宽带超材料吸波结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant