CN115000718B - 一种宽角度稳定的超表面 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种宽角度稳定的超表面，包括：至少一个超表面单元；超表面单元包括：依次相叠的第一表面层、介质层以及第二表面层；第一表面层包括：导电贴片、第一导电网栅和至少一个电感；第一导电网栅为环状结构并均匀间隔环绕在导电贴片的周围，电感设在第一导电网栅上；第二表面层包括：第二导电网栅，且第二导电网栅与导电贴片电连接；第一导电网栅和第二导电网栅分别连接外部电源的两极；第一表面层还包括：至少一个二极管；二极管的一端与导电贴片相连，另一端与第一导电网栅相连；二极管的一端的极向与第一导电网栅连接外部电源的极向相同。本申请能够具有良好的宽角度稳定性。

Description

一种宽角度稳定的超表面
技术领域
本申请涉及雷达对抗技术领域，特别是涉及一种宽角度稳定的超表面。
背景技术
雷达可以向目标发射电磁波，并接收和处理回波信号，由此计算出目标的距离、速度、方向等信息。一些新式雷达如合成孔径雷达与逆合成孔径雷达甚至可以获得目标的高分辨率图像，可以全天候工作，并且可穿透障碍物，有效的识别目标伪装，这将对我方装备造成很大威胁。
在众多新式隐身机制中，对敌方探测波的散射波进行控制是一个有效途径。作为雷达成像的关键媒介，散射波将直接影响雷达目标的探测和成像，若可以调控基地或装备的散射波幅度与相位，则能有效干扰敌方雷达成像。
在雷达回波调控的应用中，鉴于敌雷达的入射角的不确定性，研究宽角度稳定的超表面具有重要意义。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种宽角度稳定的超表面，能够具有良好的宽角度稳定性。
一种宽角度稳定的超表面，包括：至少一个超表面单元；所述超表面单元包括：依次相叠的第一表面层、介质层以及第二表面层；
所述第一表面层包括：导电贴片、第一导电网栅和至少一个电感；所述第一导电网栅为环状结构并均匀间隔环绕在所述导电贴片的周围，所述第一导电网栅与所述导电贴片之间形成均匀的空气间隙；所述电感设在所述第一导电网栅上；
所述第二表面层包括：第二导电网栅，且所述第二导电网栅与所述导电贴片电连接；
所述第一导电网栅和所述第二导电网栅分别连接外部电源的两极。
在一个实施例中，所述第一表面层还包括：至少一个二极管；
所述二极管的一端与所述导电贴片相连，另一端与所述第一导电网栅相连；
所述二极管的一端的极向与所述第一导电网栅连接外部电源的极向相同。
在一个实施例中，所述介质层上设有贯穿通道，所述贯穿通道的内壁上设有导电层；
所述导电层的一端与所述导电贴片相连，另一端与所述第二导电网栅相连。
在一个实施例中，所述第一表面层与所述第二表面层均为中心对称结构。
在一个实施例中，所述超表面单元的横截面为正方形；
正方形的导电贴片设在所述第一表面层的中央，且所述导电贴片的边与所述第一表面层的边一一平行；
所述第一导电网栅为正方环形，且所述第一导电网栅的外环与所述第一表面层的边缘重合；
所述电感的数量为八个，且八个所述电感关于所述第一表面层的两条对角线均呈轴对称分布。
在一个实施例中，所述导电贴片的每个边均与一个二极管相连；
所述二极管的一个对应端分别设在所述导电贴片的对应边的中央，另一个对应端分别设在所述第一导电网栅的对应边的中央，且所述二极管的另一个对应端的极向与所述第一导电网栅连接外部电源的极向相反。
在一个实施例中，所述第二导电网栅包括：第一子栅与第二子栅，所述第一子栅和所述第二子栅均为长方形的结构，且所述第一子栅与所述第二子栅垂直相交于所述第二表面层的中心并构成十字结构，所述第一子栅与所述第二子栅的两端分别设在所述第二表面层的边缘；
所述第二导电网栅的中心设有沿竖向贯穿所述介质层的中空导电管。
在一个实施例中，当超表面单元的数量大于一个时，所述超表面单元呈阵列分布。
在一个实施例中，所述超表面单元呈矩形阵列分布，位于所述矩形阵列长度方向和宽度方向上的超表面单元的数量相等，且相邻的超表面单元共用电感。
在一个实施例中，所述超表面单元共用一个介质层。
上述宽角度稳定的超表面，在第一表面层的第一导电网栅中引入了电感，集总电感加载提高了超表面的小型化程度，增强角度稳定性；同时导电贴片与第一导电网栅之间存在间隙，因此存在缝隙电容，此间隙越小，缝隙电容越大，结构的谐振频率与电容电感大小呈负相关关系，因此，尺寸缩小才能够提高谐振频率至原工作频率，即有利于实现小型化；第二导电网栅等效为电感，宽度越小，电感量越大，优选地，可以适当减小缝隙宽度，减小第二导电网栅的宽度，以使超表面具有更佳的宽角度稳定性；本申请可以进行柔性加工，以便与装备共形，在雷达成像干扰领域具有良好应用前景。
附图说明
图1为一个实施例中超表面单元的立体爆炸图；
图2为一个实施例中第一表面层的示意图；
图3为一个实施例中第二表面层的示意图；
图4为一个实施例中宽角度稳定的超表面的示意图；
图5为一个实施例中TE波和TM波入射时不同电压下的反射系数图；
图6为一个实施例中外加电压为5V时不同入射角下的反射系数图。
附图编号：
第一表面层1，导电贴片11，第一导电网栅12，电感13，二极管14，介质层2，贯穿通道21，第二表面层3，第二导电网栅31。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
如图1至图3所示，本申请提供一种宽角度稳定的超表面，在一个实施例中，包括：至少一个超表面单元；超表面单元包括：依次相叠的第一表面层1、介质层2以及第二表面层3；
第一表面层1包括：导电贴片11、第一导电网栅12和至少一个电感13；第一导电网栅12为环状结构并均匀间隔环绕在导电贴片11的周围，第一导电网栅12与导电贴片11之间形成均匀的空气间隙；电感13设在第一导电网栅12上；
第二表面层3包括：第二导电网栅31，且第二导电网栅31与导电贴片11电连接；
第一导电网栅12和第二导电网栅31分别连接外部电源的两极。
本实施例中，构成超表面单元的三层结构（第一表面层1、介质层2以及第二表面层3）之间如何相叠固定属于现有技术，在此不再赘述。
导电贴片11的形状与第一导电网栅12的内环相适应，则两者之间形成均匀的空气间隙，以形成缝隙电容。
第一导电网栅12为感性导电网栅，由电感13（集总元件）分成若干段并连接。本申请不限制第一导电网栅12的具体结构，只要是环状结构即可，例如：圆环形、正方环形、长方环形等。
第二导电网栅31为感性导电网栅。本申请不限制第二导电网栅31的具体形状，只要第二导电网栅31可以导电且与导电贴片11电连接即可。
介质层2为柔性介质基板，以便进行柔性加工，例如：PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）或聚氨亚酰。
导电贴片11、第一导电网栅12和第二导电网栅31的材质不做限制，只要能够实现导电功能即可。
第二导电网栅31与导电贴片11之间电连接的具体形式不做限制。
优选地，介质层2上设有贯穿通道21，贯穿通道21的内壁上设有导电层；导电层的一端与导电贴片11相连，另一端与第二导电网栅31相连。至于贯穿通道21的位置，本申请不做限制。
第一导电网栅12和第二导电网栅31与外部电源的连接方式可以是：第一导电网栅12连接外部电源的正极，第二导电网栅31连接外部电源的负极；或：第一导电网栅12连接外部电源的负极，第二导电网栅31连接外部电源的正极。
本申请的工作原理是：本申请设计的超表面实质上为空间滤波器，容性组件由第一表面层的缝隙电容组成，感性组件由第一导电网栅、集总电感与第二导电网栅并联组成，容性组件与感性组件构成一阶并联L-C谐振电路，表现为带通特性，谐振频率与容性及感性大小有关，谐振时，超表面表现为高阻抗，接近全透射状态，非谐振时表现为低阻抗，接近全反射状态。
上述宽角度稳定的超表面，在第一表面层的第一导电网栅中引入了电感，集总电感加载提高了超表面的小型化程度，增强角度稳定性；同时导电贴片与第一导电网栅之间存在间隙，因此存在缝隙电容，此间隙越小，缝隙电容越大，结构的谐振频率与电容电感大小呈负相关关系，因此，尺寸缩小才能够提高谐振频率至原工作频率，即有利于实现小型化；第二导电网栅等效为电感，宽度越小，电感量越大，优选地，可以适当减小缝隙宽度，减小第二导电网栅的宽度，以使超表面具有更佳的宽角度稳定性；本申请可以进行柔性加工，以便与装备共形，在雷达成像干扰领域具有良好应用前景。
在一个实施例中，第一表面层1还包括：至少一个二极管14；二极管14的一端与导电贴片11相连，另一端与第一导电网栅12相连；二极管14的一端的极向与第一导电网栅12连接外部电源的极向相同。
本实施例中，二极管14选择变容二极管。
当二极管的正极与导电贴片相连，负极与第一导电网栅相连，则第一导电网栅连接外部电源的正极，第二导电网栅连接外部电源的负极；当二极管的负极与导电贴片相连，正极与第一导电网栅相连，则第一导电网栅连接外部电源的负极，第二导电网栅连接外部电源的正极。因此，可以实现变容二极管的反向偏置。通过改变外置直流调控电压，且电感的加载使超表面与空气的阻抗匹配程度更好，因此可实现在4.19GHz至7.85GHz频段内电磁散射调控范围大于20dB，可调带宽为3.66GHz。整体性能在±60°入射、TE/TM极化下保持稳定，工作频点偏移不超过2.12%。
本申请设计的超表面自身具备完备的偏置二极管的金属馈电网络，而不需要额外的引入金属馈线，不会由于后期引入金属馈线产生额外的电磁响应，从而避免产生额外干扰。
本申请的工作原理是：本申请设计的超表面实质上为空间滤波器，容性组件由第一表面层的缝隙电容与变容二极管结电容并联组成，感性组件由第一导电网栅、集总电感与第二导电网栅并联组成，容性组件与感性组件构成一阶并联L-C谐振电路，表现为带通特性，谐振频率与容性及感性大小有关，谐振时，超表面表现为高阻抗，接近全透射状态，非谐振时表现为低阻抗，接近全反射状态。变容二极管的结电容随外部电源的电压幅度改变而改变，从而改变超表面的谐振频率，实现对反射的调节。当敌成像雷达发射的探测波照射至超表面时，其散射波的幅度与相位相应地快速变化（在全反射与不反射之间变化），使敌成像雷达无法积累有效信息，从而难以形成准确的侦查图像。
上述设置使得集总电感会改变超表面结构的高频阻抗，在谐振点实现更好的阻抗匹配，从而使入射波更多地经超表面透射，使得谐振时的反射系数更低，调控深度增加，此外，电感可以使高频感应电流不会回流至外加电源，实现直流交流分离，同时提高了超表面的小型化程度，增强了角度稳定性；而且超表面单元的感性强、容性弱，变容二极管的结电容相对变化范围大，其结电容随外加反向电压增大而减小，谐振频率变化，进而实现对电磁波的宽频带调控，具有宽带可调的效果。
优选地，第一表面层1与第二表面层3均为中心对称结构。
上述中心对称的结构设置使得超表面单元以及超表面具有良好的极化稳定性，能够实现对不同极化的稳定响应。
进一步优选地，相邻两个二极管14的夹角大于零，以使超表面具有更好的极化稳定性。
更进一步优选的，相邻两个二极管14的夹角等于九十度，可以使超表面具有最好的极化稳定性。
如图4所示，在一个实施例中，当超表面单元的数量大于一个时，超表面单元呈阵列分布。
本实施例中，超表面单元呈阵列分布并构成超表面，阵列的方式可以是拼接，至于如何拼接属于现有技术，在此不再赘述；优选地，阵列的方式是超表面单元共用一个介质层，以使超表面形成一个整体。
本申请对阵列的形式不做限制，例如直线阵列、圆形阵列或矩形阵列等。
本申请对阵列的数量不做限制，不同阵列方向上的超表面单元的数量可以不等。
需要说明，本申请中的阵列分布是指相邻阵列分布，而不是间隔阵列分布。
优选地，当超表面单元的横截面为正方形（即第一表面层、介质层和第二表面层均为正方形，且对应边一一重合）时，超表面单元呈等间距的矩形阵列分布，位于矩形阵列长度方向和宽度方向上的超表面单元的数量相等，且相邻的超表面单元共用电感。
上述设置可以使超表面具有良好的一致性、对称性和稳定性。
在一个实施例中，超表面单元的横截面为正方形；正方形的导电贴片11设在第一表面层1的中央，且导电贴片11的边与第一表面层1的边一一平行；第一导电网栅12为正方环形，且第一导电网栅12的外环与第一表面层1的边缘重合；电感13的数量为八个，且八个电感13关于第一表面层1的两条对角线均呈轴对称分布。
导电贴片11的每个边均与一个二极管14相连；二极管14的一个对应端分别设在导电贴片11的对应边的中央，另一个对应端分别设在第一导电网栅12的对应边的中央，且二极管14的另一个对应端的极向与第一导电网栅12连接外部电源的极向相反。
第二导电网栅31包括：第一子栅与第二子栅，第一子栅和第二子栅均为长方形的结构，且第一子栅与第二子栅垂直相交于第二表面层3的中心并构成十字结构，第一子栅与第二子栅的两端分别设在第二表面层3的边缘；第二导电网栅31的中心设有沿竖向贯穿介质层2的中空导电管。
本实施例中，第一表面层和介质层均为正方形且四个对应边一一重合，第一表面层和第二表面层的边长均为6.1mm，厚度均为0.035mm；导电贴片的边长为4.94mm；第一导电网栅的宽度为0.66mm；导电贴片与第一导电网栅之间的间隙的宽度为0.25mm；电感选用型号为0402DC-9N5X-R_，公司为Coilcraft，电感量为9.5nH，自谐振频率为8GHz，设在距离超表面单元顶点0.5mm处；二极管选用型号为MAVR-000120-1411的变容二极管，公司为MACOM，结电容变化范围为0.14pF-1.3pF；第二导电网栅的第一子栅与第二子栅的宽度为0.1mm；介质层选用聚氨亚酰柔性基板，介电常数为3.5，厚度为0.14mm。
本申请可通过适当更改尺寸参数使超表面工作在L波段、S波段或X波段，且在目标频段均可具有优秀的散射调控性能。具体实施方式为本行业已有手段，此处不作具体说明。
本实施例中，第一导电网栅的宽度相对较小（低于0.01波长），第一导电网栅为感性，宽度越小，等效电感越大，使超表面的小型化程度越高，角度稳定性越好；导电贴片与第一导电网栅之间的间隙的宽度相对较小（低于0.05波长），该间隙为容性，宽度越小，等效电容越大，使超表面的小型化的程度越高，角度稳定性越好；集总电感的电感量相对较大（大于3nH），使超表面的小型化程度较高，角度稳定性更好，电感越大，作用越明显，同时，电感越大，超表面的阻抗匹配程度越好，使得调控深度越高；变容二极管的内阻相对较小（低于5Ω），内阻越小，超表面的阻抗匹配程度越好，使得调控深度越高；变容二极管的结电容变化范围相对较大（大于5倍），结构引入的等效电容（即缝隙电容）相对变容二极管的结电容远远小，改变结电容，可以使谐振频率变化大，因此可以实现宽带调控；综上，本申请的超表面具有宽角度稳定、宽带可调和极化稳定的效果。
图5为TE波和TM波入射时不同电容下的反射系数。当外加调控电压从0V增加至20V时，谐振频率从4.19GHz增加至7.85GHz，可调频带宽度为3.66GHz。在该频段内，调控深度均在20dB以上，且TE波与TM波入射时响应一致。
图6为外加电压为5V时不同入射角下的反射系数，60°以内谐振频率最大偏移量为0.12GHz，相对偏移量为2.12%，角度稳定性较好。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种宽角度稳定的超表面，其特征在于，包括：至少一个超表面单元；所述超表面单元包括：依次相叠的第一表面层、介质层以及第二表面层；
所述第一表面层包括：导电贴片、第一导电网栅和至少一个电感；所述第一导电网栅为环状结构并均匀间隔环绕在所述导电贴片的周围，所述第一导电网栅与所述导电贴片之间形成均匀的空气间隙；所述电感设在所述第一导电网栅上；
所述第二表面层包括：第二导电网栅，且所述第二导电网栅与所述导电贴片电连接；
所述第一导电网栅和所述第二导电网栅分别连接外部电源的两极；
所述第一表面层还包括：至少一个二极管；
所述二极管的一端与所述导电贴片相连，另一端与所述第一导电网栅相连；
所述二极管的一端的极向与所述第一导电网栅连接外部电源的极向相同。
2.根据权利要求1所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，所述介质层上设有贯穿通道，所述贯穿通道的内壁上设有导电层；
所述导电层的一端与所述导电贴片相连，另一端与所述第二导电网栅相连。
3.根据权利要求2所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，所述第一表面层与所述第二表面层均为中心对称结构。
4.根据权利要求1至3任一项所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，所述超表面单元的横截面为正方形；
正方形的导电贴片设在所述第一表面层的中央，且所述导电贴片的边与所述第一表面层的边一一平行；
所述第一导电网栅为正方环形，且所述第一导电网栅的外环与所述第一表面层的边缘重合；
所述电感的数量为八个，且八个所述电感关于所述第一表面层的两条对角线均呈轴对称分布。
5.根据权利要求4所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，所述导电贴片的每个边均与一个二极管相连；
所述二极管的一个对应端分别设在所述导电贴片的对应边的中央，另一个对应端分别设在所述第一导电网栅的对应边的中央，且所述二极管的另一个对应端的极向与所述第一导电网栅连接外部电源的极向相反。
6.根据权利要求5所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，所述第二导电网栅包括：第一子栅与第二子栅，所述第一子栅和所述第二子栅均为长方形的结构，且所述第一子栅与所述第二子栅垂直相交于所述第二表面层的中心并构成十字结构，所述第一子栅与所述第二子栅的两端分别设在所述第二表面层的边缘；
所述第二导电网栅的中心设有沿竖向贯穿所述介质层的中空导电管。
7.根据权利要求1至3任一项所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，当超表面单元的数量大于一个时，所述超表面单元呈阵列分布。
8.根据权利要求7所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，所述超表面单元呈矩形阵列分布，位于所述矩形阵列长度方向和宽度方向上的超表面单元的数量相等，且相邻的超表面单元共用电感。
9.根据权利要求8所述的宽角度稳定的超表面，其特征在于，所述超表面单元共用一个介质层。
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