CN114597664A - 一种基于有源超表面的智能rcs可调龙勃透镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，涉及天线技术领域，包括有源频率选择表面、龙勃透镜、有源吸波超表面和智能控制系统，智能控制系统通过调控加载在有源频率选择表面和有源吸波超表面上所有的或特定角域内的有源器件的状态可以分别实现宽角域内RCS大小的调控以及RCS增强角域的调控。本发明集成度高、模块化设计，可批量生产，可控性好、具有宽频响应，可用于目标宽角域内RCS大小的动态调控以及任意RCS增强角域的动态调控。

Description

一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统。
背景技术
雷达散射截面积(RadarCross section，简称RCS)是武器装备的一种属性。RCS增强既可用于靶机模拟敌空袭武器，也可用于我方假目标设置。但是，现有的RCS增强技术往往不能实现RCS增强的可调控设计，或者RCS增强的可控范围小，调控的自由度不足。
因此，设计一款能够智能动态地调控RCS的系统对于动态模拟真实电磁环境、节约模拟成本是十分重要的，解决现有龙勃透镜反射器不可实现RCS主动调控的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，可用于目标宽角域内RCS大小的动态调控以及任意RCS增强角域的动态调控。
本发明提供了一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，包括：
有源频率选择表面：包括等间隔铺设的若干个有源频率选择表面单元，所述有源频率选择表面单元包括叠置的第一金属贴片层、第二金属贴片层和第三金属贴片层，所述第一金属贴片层和第二金属贴片层之间设置介质基板，所述第二金属贴片层和第三金属贴片层之间设置介质基板，所述第一金属贴片层沿y轴方向在方形贴片之间加载开关二极管，所述第三金属贴片层沿x轴方向在方形贴片之间加载开关二极管，所述开关二极管用于实现入射电磁波反射或者透射的调控，控制入射电磁波全反射或者全透射；
龙勃透镜：接收经过所述有源频率选择表面的入射电磁波，并将入射电磁波汇聚至有源吸波超表面；
有源吸波超表面：包括等间隔铺设的若干个有源吸波单元，所述有源吸波单元包括顶层金属贴片层、中间介质基板和底层金属反射板贴合，所述顶层金属贴片层包括环状金属贴片和横向设置在环状金属贴片内的条状金属贴片，所述环状金属贴片加载压控变阻二极管，所述条状金属贴片加载电感，所述压控变阻二极管和电感用于调控入射电磁波的吸收；
智能控制系统，与开关二极管、压控变阻二极管和电感电连接，所述智能控制系统根据预设的RCS产生控制信号，控制开关二极管、压控变阻二极管和电感的电压值。
进一步地，所述第一金属贴片层和第三金属贴片层结构一致。
进一步地，所述第二金属贴片层表面设置金属网栅。
进一步地，所述介质基板由F4B天线板与PMI泡沫复合形成。
进一步地，所述中间介质基板由FR4天线板和PMI泡沫复合形成。
进一步地，所述有源频率选择表面和有源吸波超表面铺设形成球面、圆柱面、锥面或曲面。
进一步地，所述龙勃透镜的形状为球形或者圆柱形。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明提出的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，由有源频率选择表面、龙勃透镜、有源吸波超表面和智能控制系统四个模块构成，通过改变有源频率选择表面和有源吸波超表面的状态，可以同时实现RCS增强大小的调控以及RCS增强角域的调控，且有源频率选择表面和有源吸波超表面均可以独立调控RCS，也可配合调控RCS，使得调控工作自由度大，手段灵活。本系统的每个模块都可单独设计，便于集成化和批量化生产；本发明提供的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，仅通过电压控制改变目标RCS，可以大大节约成本，减少调整时间，同时能适应各种复杂的电磁环境下的RCS调控。
附图说明
图1为本发明实施例提供的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的整体结构的三维坐标示意图；
图3为本发明实施例提供的有源频率选择表面整体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的有源频率选择表面结构细节图；
图5为本发明实施例提供的有源吸波超表面整体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的有源频率选择表面在TE极化电磁波入射时的仿真性能图；
图7为本发明实施例提供的有源频率选择表面在TM极化电磁波入射时的仿真性能图；
图8为本发明实施例提供的有源吸波超表面在不同电压下的吸波性能图；
图9为本发明实施例提供的改变有源频率选择表面和有源吸波超表面结构中加载的所有有源器件的状态所实现的宽角域、宽频段RCS调控性能图；
图10为本发明实施例提供的改变有源频率选择表面和有源吸波超表面结构中加载的特定角域内有源器件的状态所实现的RCS增强角域调控性能图。
附图标记说明：1-有源频率选择表面，2-龙勃透镜，3-有源吸波超表面，4-智能控制系统，7-第一金属贴片层，8-第二金属贴片层，9-第三金属贴片层，10-顶层金属贴片层。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
参照图1至图10，本发明提供了一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，包括：
有源频率选择表面1：如图3所示，包括等间隔铺设的若干个有源频率选择表面单元，有源频率选择表面单元包括叠置的第一金属贴片层7、第二金属贴片层8和第三金属贴片层9，第一金属贴片层7和第二金属贴片层8之间设置介质基板，第二金属贴片层8和第三金属贴片层9之间设置介质基板，第一金属贴片层7沿y轴方向在方形贴片之间加载开关二极管，第三金属贴片层9沿x轴方向在方形贴片之间加载开关二极管，开关二极管用于实现入射电磁波反射或者透射的调控，控制入射电磁波全反射或者全透射；第一金属贴片层7和第三金属贴片层9结构一致，第一金属贴片层7和的第三金属贴片层9的方形贴片边长为有源频率选择表面单元边长为p1＝7.2mm，有源频率选择表面单元金属贴片边长l1＝3.4mm，有源频率选择表面单元金属贴片之间的缝隙宽度s＝0.2mm。介质基板由0.1mm的F4B天线板与0.7mm的PMI泡沫复合形成，F4B天线板的相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，PMI泡沫的相对介电常数为1.1，损耗角正切为0.0006。参照图4，第二金属贴片层8的结构由金属网栅组成，第二金属贴片层8网栅w1＝1mm。
龙勃透镜2：接收经过有源频率选择表面1的入射电磁波，并将入射电磁波汇聚至有源吸波超表面3，将入射的电磁波汇聚到有源吸波超表面3上的某一点，龙勃透镜2是一种具有梯度介电常数的透镜，用于实现电磁波的球面会聚与定向反射，为球形或者圆柱形，龙勃透镜2位于有源频率选择表面1和有源吸波超表面3之间；
有源吸波超表面3：如图5所示，包括等间隔铺设的若干个有源吸波单元，有源吸波单元包括顶层金属贴片层10、中间介质基板和底层金属反射板贴合，顶层金属贴片层10包括环状金属贴片和横向设置在环状金属贴片内的条状金属贴片，环状金属贴片四臂上加载压控变阻二极管，压控变阻二极管为型号BAP70-03或型号BAP70-02的变阻二极管。条状金属贴片加载电感，压控变阻二极管和电感用于调控入射电磁波的吸收；顶层金属贴片层10的结构参数为：有源吸波超表面环状金属贴片臂长一l2＝6.5mm，臂长二l3＝6.25mm，有源吸波超表面环状金属贴片宽度w2＝2mm，有源吸波超表面二极管焊接缝隙g＝1mm，有源吸波超表面单元边长p2＝20mm。中间介质基板由0.1mm的FR4天线板和7mm的PMI泡沫复合形成，FR4天线板的相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025，PMI泡沫的相对介电常数为1.1，损耗角正切为0.0006。通过在有源吸波超表面3的结构单元中加载二极管、三极管和石墨烯等有源器件中的一种或多种实现电磁波可调吸收。
智能控制系统4，与开关二极管、压控变阻二极管和电感电连接，智能控制系统4根据预设的RCS产生控制信号并传输到有源频率选择表面和有源吸波超表面，控制开关二极管、压控变阻二极管和电感中全部或部分有源器件的电压值。
其中，有源频率选择表面1和有源吸波超表面3铺设形成球面、圆柱面、锥面或曲面。龙勃透镜2的形状为球形或者圆柱形。所述有源频率选择表面1和有源吸波超表面3采取并联馈电或串联馈电的方式为有源器件提供电压；同时所设计的馈电网络可以给有源频率选择表面1和有源吸波超表面3不同区域的有源器件提供相同或者不同的电压。
在本发明实施例中，智能控制系统4可以是一种集成电路芯片，具备信号的处理能力。智能控制系统4可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
本实施例提供的应用一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统的宽角域内RCS调控方法，包括以下步骤：
预设宽角域内的RCS产生控制信号；
将宽角域内的RCS产生控制信号发送至智能控制系统；
智能控制系统根据目标预设的RCS，计算出有源频率选择表面和有源吸波超表面不同区域内的有源器件所需加载电压的大小，从而产生控制指令；
智能控制系统调控加载的全部有源器件的电压值，有源频率选择表面根据加载电压的不同控制入射电磁波反射或者透射；
智能控制系统调控加载的全部有源器件的电压值，有源吸波超表面根据加载电压的不同改变对入射电磁波吸收率的大小；
入射电磁波依次通过有源频率选择表面、龙勃透镜和有源吸波超表面，其中，龙勃球透镜主要用于将各个方向入射的电磁波汇聚到有源吸波超表面的表面，使得电磁波能被吸收或者反射。
本实施例提供的应用一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统的特定角域内RCS调控方法，包括以下步骤：
预设特定角域内RCS产生控制信号；
将特定角域内RCS产生控制信号发送至智能控制系统；
智能控制系统根据目标预设的RCS，计算出有源频率选择表面和有源吸波超表面不同区域内的有源器件所需加载电压的大小，从而产生控制指令；
智能控制系统调控加载的部分有源器件的电压值，有源频率选择表面根据加载电压的不同控制入射电磁波反射或者透射；
智能控制系统调控加载的部分有源器件的电压值，有源吸波超表面根据加载电压的不同改变对入射电磁波吸收率的大小；
入射电磁波依次通过有源频率选择表面、龙勃透镜和有源吸波超表面，其中，龙勃球透镜主要用于将各个方向入射的电磁波汇聚到有源吸波超表面的表面，使得电磁波能被吸收或者反射。
本实施例中，设整个系统在自由空间中利用平面电磁波照射，利用商业电磁仿真软件首先对有源频率选择表面和有源吸波超表面的性能进行仿真，然后对本发明实施例的不同状态下的RCS进行仿真。
仿真1，分别采用TE和TM极化垂直入射有源频率选择表面的单元结构，边界条件设置为周期边界条件，仿真性能如图6和图7所示，所述有源频率选择表面在开关二极管打开(ON)时可以全反射电磁波，在开关二极管关闭(OFF)时可以在X波段实现大角度高效透射。
仿真2，采用TE极化垂直入射有源吸波超表面的单元结构，边界条件设置为周期边界条件，仿真性能如图8所示，在不同电压下可实现入射电磁波吸收率的调控；在0mV时可以全反射入射电磁波，在35mV时可实现高效吸收入射电磁波，在X波段反射系数小于-15dB。
仿真3，在10GHz分别仿真了有源频率选择表面处于“ON”状态和有源频率选择表面处于“OFF”状态时，改变有源吸波超表面加载的所有变阻二极管的电压时的RCS；可以看出通过改变加载的电压，本发明在宽频段宽角域实现了龙勃透镜的RCS大小可调。
仿真4，在10GHz，分别仿真了有源频率选择表面处于“OFF”状态时，改变有源吸波超表面在α属于(-90°，90°)，θ分别属于(0°，20°)、(30°，50°)和(60°，80°)的三个角域内加载的变阻二极管的电压时的RCS；可以看出通过改变不同角域内变阻二极管加载的电压，本发明实现了龙勃透镜RCS增强角域可调。
以上仿真结果说明，本实施例的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统实现了宽角域内RCS增强大小的调控以及RCS增强角域的调控，同时本发明调控自由度大，调控方式简单，可以应用于复杂电磁环境下目标RCS的调控。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，其特征在于，包括：
有源频率选择表面(1)：包括等间隔铺设的若干个有源频率选择表面单元，所述有源频率选择表面单元包括叠置的第一金属贴片层(7)、第二金属贴片层(8)和第三金属贴片层(9)，所述第一金属贴片层(7)和第二金属贴片层(8)之间设置介质基板，所述第二金属贴片层(8)和第三金属贴片层(9)之间设置介质基板，所述第一金属贴片层(7)沿y轴方向在方形贴片之间加载开关二极管，所述第三金属贴片层(9)沿x轴方向在方形贴片之间加载开关二极管，所述开关二极管用于实现入射电磁波反射或者透射的调控，控制入射电磁波全反射或者全透射；
龙勃透镜(2)：接收经过所述有源频率选择表面(1)的入射电磁波，并将入射电磁波汇聚至有源吸波超表面(3)；
有源吸波超表面(3)：包括等间隔铺设的若干个有源吸波单元，所述有源吸波单元包括顶层金属贴片层(10)、中间介质基板和底层金属反射板贴合，所述顶层金属贴片层(10)包括环状金属贴片和横向设置在环状金属贴片内的条状金属贴片，所述环状金属贴片加载压控变阻二极管，所述条状金属贴片加载电感，所述压控变阻二极管和电感用于调控入射电磁波的吸收；
智能控制系统(4)，与开关二极管、压控变阻二极管和电感电连接，所述智能控制系统(4)根据预设的RCS产生控制信号，控制开关二极管、压控变阻二极管和电感的电压值。
2.如权利要求1所述的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，其特征在于，所述第一金属贴片层(7)和第三金属贴片层(9)结构一致。
3.如权利要求1所述的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，其特征在于，所述第二金属贴片层(8)表面设置金属网栅。
4.如权利要求1所述的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，其特征在于，所述介质基板由F4B天线板与PMI泡沫复合形成。
5.如权利要求1所述的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，其特征在于，所述中间介质基板由FR4天线板和PMI泡沫复合形成。
6.如权利要求1所述的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，其特征在于，所述有源频率选择表面(1)和有源吸波超表面(3)铺设形成球面、圆柱面、锥面或曲面。
7.如权利要求1所述的一种基于有源超表面的智能RCS可调龙勃透镜系统，其特征在于，所述龙勃透镜(2)的形状为球形或者圆柱形。
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