CN115036703A - 一种基于相位相消的rcs减缩二面角结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超材料领域，具体涉及一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构及其设计方法。本发明采用相位抵消原理通过加载超表面，对二面角结构引入的波程差进行相位补偿，从而实现了二面角RCS减缩。基于本发明设计的基本单元结构能覆盖2π的相位变化，且反射幅值都大于0.8；本发明提供的二面角结构的RCS减缩值在5GHz时大于10dB，能有效降低二面角结构的RCS，并在大角度处也有较为明显的减缩效果。仿真和实验结果与理论分析相符，为低RCS二面角结构提供了一种新的设计思路；并且本发明不需要任何吸收材料或成型设计，可操作性强、易修复，对于高温下吸波性能恶化的应用背景，具有较大潜力。

Description

一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体涉及一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构及其设计方法。

背景技术

二面角是雷达目标典型散射结构，其特征识别对于复杂目标的识别具有重要意义，同时也是研究渐变散射体散射特征的基础。在低可探测目标设计中二面角属于强散射源，控制其散射特征具有重要意义。

目前二面角散射特征控制的方法主要包括：外形设计，如改变平板之间的夹角，将其从正交状态变成非正交状态以及将二面角结构的平面结构改为曲面结构；或者，在二面角表面涂敷吸波材料。但是外形设计会对气动外形产生影响，从而打破平衡；而涂敷吸波材料在高频段的角度稳定性较差，且在高温环境下吸波性能会出现恶化的情况。因此当前二面角的强散射依然存在较大的问题。

发明内容

针对上述所提出的问题，为解决现有二面角结构的强散射问题，本发明提供了一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构及其设计方法。

一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构，二面角结构的两个面择一加载有超表面；该超表面对二面角结构引入的波程差进行相位补偿，基于相位相消实现了整个二面角结构的RCS减缩。

所述加载超表面的二面角面定义为xoy面，另一面为yoz面，两个面相交的轴线为y轴，y轴的下端点为原点o，上端点为y轴正方向；将平面形状为矩形的周期结构从原点分别向x轴和y轴的正方向依次以矩阵的方式布满整个加载超表面的二面角面；所述周期结构为三明治结构，从上往下依次是顶部金属图案层、中间介质层以及底部金属层，周期结构的反射相位覆盖0～2π且反射幅值都大于0.8。

进一步的，所述二面角结构为正交二面角结构，即夹角90度的二面角结构。

进一步的，所述二面角结构的两个面为金属时，超表面不做底部金属层，即只需加工中间介质层和顶部金属图案层。

进一步的，所述基于相位相消的超表面为相位梯度超表面，其周期结构由k个边长为p的正方形基本单元构成，k个基本单元的顶部金属图案层居中设置。

进一步的，所述超表面加载的二面角面小于一倍波长时，通过减小周期结构的单元尺寸直至使得寄生反射降低至预期。比如5Ghz下，超表面加载的二面角面整体尺寸就不宜小于60mm x 60mm，如果尺寸过小会产生较强的寄生反射，此时通过减小周期结构的单元尺寸来解决该问题。

一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、首先确定加载超表面的二面角面和超表面为相位梯度超表面，设计周期结构。因为二面角结构存在波程差，通过设计相位梯度超表面，以引入突变相位对结构进行相位补偿，从而实现相位相消。

对于夹角90度的二面角结构，定义加载超表面的二面角面为xoy面，另一面为yoz面；两个面相交的轴线为y轴，y轴的下端点为原点o，上端点为y轴正方向。

设超表面的周期结构由k个边长为p的正方形基本单元构成，k个基本单元的顶部金属图案层居中设置。每个基本单元的周期为p，从原点o沿x轴正方向的基本单元依次为1、2……n，那么第n个基本单元与对应的距离为：

对应是指二面角结构的两个面沿y轴折合后，第n个基本单元在另一面的投影。

在基本单元构成的超表面格点阵列中，第n个基本单元格点处引入的突变相位为φ_MSn，另一面与之对应处的相位为φ_PEC，当平面波以45度斜入射时，利用相位相消原理，可知：

φ_MSn+k₀d_n-φ_PEC＝π+2Mπ(2)

其中，k₀是自由空间的波矢，M为整数。

当φ_PEC的相位为–π时，基本单元n对应的相位为：

根据公式3推出相邻基本单元间的相位差为：

步骤2、满足周期结构的反射相位覆盖0～2π且反射幅值都大于0.8的前提下。通过公式3和4直接计算出每个基本单元所需的相位及相邻单元的相位差，从而构建确定出整个超表面的周期结构及其排布方向，对二面角结构引入的波程差进行相位补偿，进而实现对整个二面角结构的RCS减缩。

步骤3、将步骤2确定好的周期结构及其排布方向，将基本单元从原点o分别向x轴和y轴的正方向依次以矩阵的方式布满整个加载超表面的二面角面。

因为二面角结构存在波程差，本发明通过设计超表面以引入突变相位对二面角结构的波程差进行相位补偿，从而实现相位相消。并以相位梯度超表面为例，通过理论推导得出公式，能直接算出每个基本单元所需的相位和相邻单元的相位梯度；再根据该方法得到的计算结果，利用cst仿真找出所需基本单元的参数；基于本发明设计的基本单元结构能覆盖2π的相位变化，且反射幅值都大于0.8；本发明提供的二面角结构的RCS减缩值在5GHz时大于10dB，能有效降低二面角结构的RCS，并在大角度处也有较为明显的减缩效果。

综上所述，本发明采用相位抵消原理通过加载超表面(如相位梯度超表面)，对二面角结构引入的波程差进行相位补偿，从而实现了二面角RCS减缩。仿真和实验结果与理论分析相符，为低RCS二面角结构提供了一种新的设计思路；并且本发明不需要任何吸收材料或成型设计，可操作性强、易修复，对于高温下吸波性能恶化的应用背景，具有较大潜力。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为实施例的基本单元结构示意图；

图3为实施例在5GHz时，45°入射下，6个基本单元结构的反射幅值曲线；

图4为实施例在5GHz时，45°入射下，6个基本单元结构的反射相位及相位差曲线；

图5为实施例的周期结构示意图；

图6为实施例仿真设计的加载超表面的二面角结构；

图7为实施例通过印制电路板工艺制备的测试样品；

图8为实施例仿真和实测的结果；

图9为实施例仿真和实测的结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

本实施例中的基本单元采用经典的“三明治”结构，底部金属层和顶部金属图案层的正方形贴片都是由金属铜构成，其电导率为5.8×10⁷s/m；底部金属层和中间介质层的周期p均为7.07mm，中间介质层的厚度为3mm；中间介质层的材料为FR-4，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.025。采用相位梯度超表面，结构整体尺寸为254.52mm x 254.52mm；将其与等大的金属铜板组合，最终形成加载了超表面的二面角结构。

一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、因为二面角结构引入了波程差，通过设计相位梯度超表面，可以利用突变相位对结构进行相位补偿，从而实现相位相消，其原理如图1所示。本实施例中设计的二面角结构包含两个大小相等且相互正交(90°角)的金属铜板和超表面，超表面位于xoy面，金属铜板位于yoz面。

周期结构由k＝6个边长为p＝7.07mm的正方形基本单元构成，基本单元的顶部金属图案层居中设置；超表面每个基本单元的周期为p，那么第n个基本单元与对应的金属板的距离为

在基本单元构成的超表面格点阵列中，第n个基本单元格点处引入的突变相位为φ_MSn，与之对应处的铜板的相位为φ_PEC。当平面波以45度斜入射时，利用相位相消原理，可知：

φ_MSn+k₀d_n-φ_PEC＝π+2Mπ (2)

其中，k₀是自由空间的波矢，M为整数。

当φ_PEC的相位为–π时，基本单元对应的相位为：

根据公式3推出相邻基本单元间的相位差为

从公式3和4可以看出，通过调整超表面的相位来减缩二面角的RCS。而且通过选择频率和基本单元的结构参数，也可以控制超表面的相位。

步骤2、本实施例所选用的基本单元如图2所示，采用了经典的“三明治”结构，底部金属层和顶部金属图案层的正方形贴片都是由金属铜构成，其电导率为5.8×10⁷s/m；底部金属层和中间介质层的周期p均为7.07mm，中间介质层的厚度为3mm；构成中间介质层的材料为FR-4，其介电常数为4.3，损耗角正切为0.025。超表面的相位可以通过参数m和p进行调节。通过改变参数，基本单元的反射相位可以从0覆盖到2π。

为了获得所需的相位梯度，利用仿真软件CST对基本单元建模仿真并进行优化。单元边界条件设置：x和y方向为基本单元边界，z方向为开放(添加空间)边界。通过计算和优化贴片元素的长度，选择了6个相位差为60度的基元单元。表1显示了每个基本单元的m取值及其对应的反射相位。由于背面的金属接地，入射波被完美地反射。如图3所示，6个基元的反射幅度均大于0.8。从图4可知，反射相位随m的变化从0度变化到360度，且相邻单元间的相位差为60度。

6个基本单元的金属图案层1由6个大小不同的正方形贴片构成，如图5所示，沿x轴正向排列，它们的尺寸分别为m1＝6.7mm；m2＝6.83mm；m3＝7.02mm；m4＝2.72mm；m5＝6.33mm；m6＝6.58mm。根据基本单元顶部金属图案层的正方形贴片大小进行编号，分别为6.7mm-1号、6.83mm-2号、7.02mm-3号、2.72mm-4号、6.33mm-5号和6.58mm-6号，周期结构中6个基本单元从原点至x轴正方向的排布顺序为1-2-3-4-5-6号。

表1

步骤3、再将得到的周期结构沿x轴正方向重复排列6次；沿y轴正方向，重复排列36次，最终得到由36x36个基本单元组成的相位梯度超表面结构。

最终确定的相位梯度超表面，位于xoy面，结构整体尺寸为254.52mm x 254.52mm；将其与位于yoz面内等大的金属铜板组合，最终形成如图6所示的加载了超表面的二面角。

对实施例的设计结果进行测试验证：

在CST中建模仿真(如图6所示)，选择平面波作为场源进行仿真计算，确定仿真工作频带及工作频点，然后对其RCS减缩效果进行分析。并通过PCB印刷电路板工艺制备样品(如图7所示)，并在微波暗室中完成测试，分析仿真结果与测试结果的误差，得到的仿真测试对比(图8和图9)可知RCS减缩差别不大，实现了预期的效果，验证了该结构的有效性。图8为实施例仿真和实测的结果，在45°入射时，不同频率下，加载了超表面和没有加载超表面的二面角的单站RCS仿真结果对比；图9为实施例仿真和实测的结果，在5GHz处，斜入射时，加载了超表面和没有加载超表面的二面角的单站RCS仿真结果对比。

超表面由周期性或非周期性亚波长单元组成，可以任意调节电磁波的振幅、相位、极化和频率。基于超表面的这些特殊性质，它得到了广泛的应用，例如超透镜、完美吸收器、全息图、偏振控制器、异常反射和RCS减缩等。相位梯度超表面作为超表面的重要类型，是一种具有各向异性的亚波长尺寸结构。当电磁波照射到相位梯度超表面上的时候，会在每个单元结构上产生不同的相位突变，通过控制相位，使得超表面上的相位能够满足一定的梯度，就可以实现对电磁波波前的调控，本实施例以相位梯度超表面为例。

上述的超表面结构只是为了验证相位相消的二面角RCS减缩方法的有效性，设计的结构简单易懂，采用的基本单元也是具有强谐振的窄带的方形贴片单元。如果要考虑带宽等问题可以挑选具有宽带性能的基本单元进行设计。另外关于周期结构即超级单元所包含基本单元的个数也不是唯一的，基本单元的相位应尽量满足在一个周期内覆盖2π。如相邻单元间相差为45°时，需要8个基本单元组成周期结构；相差为60°时，则只需要6个基本单元组成周期结构。但是相位差越小控制的越精细，相位差尽量不要超过90°。基本单元的周期以及基本单元的总个数也不是定值，这个可以根据二面角的具体大小以及形状来进行相应的设计。

综上所述，本发明利用相位相消原理，通过加载相位梯度超表面对结构引入的波程差进行相位补偿，从而实现了二面角RCS减缩。经过理论推导、仿真和实验验证，证明本发明可以有效的减缩二面角结构的RCS，为低RCS二面角结构提供了一种新的设计思路。

Claims (6)

1.一种基于相位相消的RCS减缩二面角结构，其特征在于：

所述二面角结构的两个面择一加载有超表面；该超表面对二面角结构引入的波程差进行相位补偿，基于相位相消实现了整个二面角结构的RCS减缩；

加载超表面的二面角面定义为xoy面，另一面为yoz面，两个面相交的轴线为y轴，y轴的下端点为原点o，上端点为y轴正方向；将平面形状为矩形的周期结构从原点分别向x轴和y轴的正方向依次以矩阵的方式布满整个加载超表面的二面角面；

所述周期结构为三明治结构，从上往下依次是顶部金属图案层、中间介质层以及底部金属层，周期结构的反射相位覆盖0～2π且反射幅值都大于0.8。

2.如权利要求1所述基于相位相消的RCS减缩二面角结构，其特征在于：所述二面角结构为正交二面角结构，即夹角90度的二面角结构。

3.如权利要求1所述基于相位相消的RCS减缩二面角结构，其特征在于：所述二面角结构的两个面为金属时，超表面不做底部金属层，即只加工中间介质层和顶部金属图案层。

4.如权利要求1所述基于相位相消的RCS减缩二面角结构，其特征在于：所述基于相位相消的超表面为相位梯度超表面，其周期结构由k个边长为p的正方形基本单元构成，k个基本单元的顶部金属图案层居中设置。

5.如权利要求1所述基于相位相消的RCS减缩二面角结构，其特征在于：所述超表面加载的二面角面小于一倍波长时，减小周期结构的单元尺寸直至寄生反射降低至预期。

6.如权利要求1所述基于相位相消的RCS减缩二面角结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先确定加载超表面的二面角面和超表面为相位梯度超表面，设计周期结构；

对于夹角90度的二面角结构，定义加载超表面的二面角面为xoy面，另一面为yoz面；两个面相交的轴线为y轴，y轴的下端点为原点o，上端点为y轴正方向；

周期结构由k个边长为p的正方形基本单元构成，基本单元的顶部金属图案层居中设置；

从原点o沿x轴正方向的基本单元依次为1、2……n，那么第n个基本单元与对应的距离为：

对应是指二面角结构的两个面沿y轴折合后，第n个基本单元在另一面的投影；

在基本单元构成的超表面格点阵列中，第n个基本单元格点处引入的突变相位为φ_MSn，另一面与之对应处的相位为φ_PEC，当平面波以45度斜入射时，利用相位相消原理，可知：

φ_MSn+k₀d_n-φ_PEC＝π+2Mπ (2)

其中，k₀是自由空间的波矢，M为整数；

当φ_PEC的相位为–π时，基本单元n对应的相位为：

根据公式3推出相邻基本单元间的相位差为：

步骤2、满足周期结构的反射相位覆盖0～2π且反射幅值都大于0.8的前提下，通过公式3和4直接计算出每个基本单元所需的相位及相邻单元的相位差，从而确定整个超表面的周期结构及其排布方向；

步骤3、将步骤2确定好的周期结构及其排布方向，将基本单元从原点o分别向x轴和y轴的正方向依次以矩阵的方式布满整个加载超表面的二面角面。

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