CN115566433A - 一种宽带雷达散射截面缩减超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带雷达散射截面缩减超表面，该超表面包括两层金属贴片和两层介质基板，分别是上层介质基板、中间层金属贴片、下层介质基板以及底层金属贴片。所述中间层金属贴片是随机排列的两种圆环形金属片，共784个；上层介质基板内部带有2296个完整圆柱通孔，边缘有112个半圆柱通孔；该超表面是由4×4个子阵排列组成，每个子阵是由7×7个超表面单元0或超表面单元1组成；超表面单元0和超表面单元1在较宽的频段内存在180°±37°的相位差。本发明的超表面能够在宽频段内实现雷达散射截面缩减功能，满足了特定情况下对雷达隐身的要求，具有低成本、宽频带、低雷达散射截面等优点。
Description
技术领域
本发明涉及雷达隐身超表面技术领域，特别是一种宽带雷达散射截面缩减超表面。
背景技术
随着现代超视距战争的发展，隐身技术在军事斗争中具有重要意义。目前，使用雷达探测各种目标物体是最常见的有效手段之一，而判断隐身性能的关键参数是雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)。在隐身技术的发展过程中，传统上通用且简单的实现目标RCS缩减的方法有三种：整形、加载雷达吸波材料、无源或有源阻抗加载方法。
传统的三种隐身方法虽然的确可以起到RCS缩减的作用，但是都有各自的局限性。整形技术使结构和外形等设计变得很有难度，另外两种方法的主要缺陷就是RCS缩减的带宽很窄。
近年来发展的新型人工电磁超表面，为帮助设计新型隐身材料提供了新的思路。基于新型人工电磁超表面设计的隐身材料可以达到非常优秀的隐身效果。新型人工电磁超表面是指由人工电磁超表面亚波长单元按一定规律分布的轻薄周期平面阵列。因此开发结构简单、低成本、具有超宽带雷达散射截面缩减效果的超表面来弥补传统隐身技术的不足是十分必要的。
随着对超表面的深入研究，在一定频率下具有有效相位差的超表面单元，经过合理的布局和设计所组成的超表面，可以实现宽带、漫散射等一系列传统隐身技术难以达到的效果。但是目前存在的宽带超表面主要通过使用不同厚度的单元、采用只有一个通孔的覆盖层单元或添加空气层来扩宽超表面单元的有效相位差带宽从而达到宽带雷达散射截面缩减效果，这导致超表面成本高，结构复杂，雷达散射截面缩减带宽有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低可探测、容易实现、缩减频段宽、具有漫反射的宽带雷达散射截面缩减超表面。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带雷达散射截面缩减超表面，包括由上至下设置的上层介质基板、中间层金属贴片、下层介质基板、底层金属贴片；
超表面由4×4个子阵排列组成，每个子阵由7×7个超表面单元0或超表面单元1组成，超表面单元0和超表面单元1存在180°±37°的相位差。
进一步地，所述上层介质基板内部被2296个均匀分布且相同的圆柱通孔贯穿，四周边缘被112个均匀分布且相同的半圆柱通孔贯穿。
进一步地，所述圆柱通孔和半圆柱通孔的半径均相同。
进一步地，所述中间层金属贴片由8个第一组金属贴片和8个第二组金属贴片随机排布而成，第一组金属贴片由7×7个第一金属片组成，第二组金属贴片由7×7个第二金属片组成。
进一步地，所述超表面单元0的上表面为正方形，每一个超表面单元0中的上层介质基板被处于正方形中心位置的一个圆柱通孔，以及正方形四条边上的半个圆柱通孔或者半圆柱通孔贯穿；所述第一金属片由第一圆环金属片构成。
进一步地，所述超表面单元1的上表面为正方形，每一个超表面单元1中的上层介质基板被处于正方形中心位置的一个圆柱通孔，以及处于正方形四条边上的半个圆柱通孔或者半圆柱通孔贯穿；
所述第二金属片包括第一、二圆弧形金属片以及第一、二弓形金属贴片，其中第一、二圆弧形金属片上、下对称设置于同一圆周上，第一、二弓形金属贴片完全相同且上下对称设置于该圆周的中心位置。
进一步地，第一圆环金属片与第一、二圆弧形金属片所在圆周的半径相等。
进一步地，上层介质基板厚度为2mm，下层介质基板的厚度为1.6mm，超表面的整体高度为3.6mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)将一层厚度为2mm的介质基板覆盖在超表面单元的中间层金属贴片的上方，在每个单元中心位置设置一个完整通孔，同时利用超表面单元的周期排布特性，使得每两个相邻单元之间还存在一个共享通孔，从而达到超表面单元“0”与超表面单元“1”在更宽的频段内保持180°±37°的相位差的效果；(2)将“0”单元和“1”单元组成超表面，采用随机排布使超表面具有较好的散射性能，从而实现宽带雷达散射截面缩减；(3)采用FR4介质基板，成本低、结构简单、易于加工。
附图说明
图1a是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的侧视图。
图1b是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的上层介质基板俯视图。
图1c是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的中间层金属片俯视图。
图1d是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的下层介质基板俯视图。
图1e是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的底层金属片俯视图。
图2a是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面单元的单元“0”和“1”的侧视图。
图2b是单元“0”的上层介质基板、中间层第一金属片、下层介质基板、底层金属片的俯视图。
图2c是单元“1”的上层介质基板、中间层第一金属片、下层介质基板、底层金属片的俯视图。
图3是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面单元“0”和单元“1”的相位曲线图。
图4是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面和等大金属板的雷达散射截面RCS曲线图。
图5是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的雷达散射截面缩减量曲线图。
图6是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面在24.5GHz的3-D散射方向图。
图7是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面在24.5GHz的3-D散射方向图。
具体实施方式
本发明宽带雷达散射截面缩减超表面，具有较宽的雷达散射截面缩减带宽。采用双层介质结构，并通过添加通孔改变上层介质基板的等效介电常数，使超表面单元之间在宽频段内保持180°±37°的相位差。将7×7个相同的单元组成一个子阵，将4×4个子阵进行随机排布组成超表面。实现对反射电磁波的散射效果，缩减垂直方向上的反射能量，从而实现了宽带雷达散射截面缩减。
结合图1a～图1e、图2a～图2c，本发明一种宽带雷达散射截面缩减超表面，由4×4个子阵排列组成，每个子阵由7×7个超表面单元“0”或超表面单元“1”组成。包括由上至下设置的上层介质基板1、中间层金属片2、下层介质基板3、底层金属贴片4。
所述的上层介质基板1内部被2296个均匀分布且相同的完整圆柱通孔11贯穿，四周边缘被112个均匀分布且相同的半圆柱通孔12贯穿。
作为一种具体示例，完整圆柱通孔11和半圆柱通孔12的半径相同为0.8mm。
所述中间层金属贴片2由8个第一组金属贴片21和8个第二组金属贴片22随机排布而成，第一组金属贴片21由7×7个第一金属片21-1组成，第二组金属贴片22由7 ×7个第二金属片22-1组成。
超表面单元“0”、超表面单元“1”均包括由上至下设置的上层介质基板1、中间层金属贴片2、下层介质基板3、底层金属贴片4；
作为一种具体示例，当电磁波垂直照射在超表面时，单元“0”和单元“1”的反射电磁波具有180°±37°的相位差，实现了雷达散射截面(RCS)缩减，即实现隐身功能。
作为一种具体示例，所述超表面单元“0”的上表面为正方形，每一个超表面单元“0”中的上层介质基板1被处于正方形中心位置的一个圆柱通孔11，以及正方形四条边上的半个圆柱通孔11或者半圆柱通孔12贯穿；所述第一金属片21-1由第一圆环金属片201构成。所述超表面单元1的上表面为正方形，每一个超表面单元1中的上层介质基板1被处于正方形中心位置的一个圆柱通孔11，以及处于正方形四条边上的半个圆柱通孔11或者半圆柱通孔12贯穿。完整圆柱通孔11和半圆柱通孔12的半径相同为 0.8mm。
作为一种具体示例，所述第一金属片21-1由第一圆环金属片201构成。所述第二金属片22-1包括第一、二圆弧形金属片101、103以及第一、二弓形金属贴片102、104，其中第一、二圆弧形金属片101、103上、下对称设置于同一圆周上，第一、二弓形金属贴片102、104完全相同且上下对称设置于该圆周的中心位置。第一圆环金属片201 与第一、二圆弧形金属片101、103所在圆周的半径相等。
作为一种具体示例，介质基板1厚度为2mm，介质基板3厚度为1.6mm，超表面的整体高度为3.6mm。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
结合图1a～图1e，本发明宽带雷达散射截面缩减超表面，包括由上至下设置的上层介质基板1、中间层金属贴片2、下层介质基板3、底层金属贴片4。本发明宽带雷达散射截面缩减超表面由4×4个子阵排列组成，每个子阵由7×7个超表面单元“0”或超表面单元“1”组成。所述上层介质基板1内部被2296个均匀分布且相同的完整圆柱通孔11贯穿，四周边缘被112个均匀分布且相同的半圆柱通孔12贯穿。所述的中间层金属贴片2由8个第一组金属贴片和8个第二组金属贴片随机排布而成，第一组金属贴片 2由7×7个第一金属片21-1组成，第二组金属贴片22由7×7个第二金属片22-1组成。
图1a为超表面的侧视图，图b为上层介质基板俯视图，图1c为中间层金属片俯视图，图1d为下层介质基板俯视图，图1e为底层金属片俯视图。
结合图2a～图2c，超表面单元“0”包括由上至下设置的上层介质基板1、中间层金属贴片2、下层介质基板3、底层金属贴片4。上层介质基板1被处于边缘中点位置的四个完全相同的半圆柱通孔、处于中心位置的一个完整的圆柱通孔贯穿。所述半圆柱通孔和完整的圆柱通孔的半径相同。所述中间层第一金属贴片21-1为第一圆环金属片201。
图2a为单元“0”和单元“1”的侧视图，图2b是单元“0”的上层介质基板、中间层第一金属片、下层介质基板、底层金属片的俯视图，图2c是单元“1”的上层介质基板、中间层第一金属片、下层介质基板、底层金属片的俯视图。
结合图2，超表面单元“1”包括由上至下设置的上层介质基板1、中间层金属贴片2、下层介质基板3、底层金属贴片4。所述的上层介质基板1被处于边缘中点位置的四个完全相同的半圆柱通孔和处于中心位置的一个完整的圆柱通孔贯穿。四个半圆柱通孔和完整的圆柱通孔的半径相同。所述第二金属贴片22-1外侧环绕着镜像对称的第一、二圆弧形金属片101、103，中心位置为两个完全相同且对称的第一、二弓形金属贴片 102、104。
本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的参数设计过程如下：
(一)上层介质基板1的厚度为2mm、介电常数为4.4，下层介质基板3的厚度为1.6mm、介电常数为4.4。
(二)超表面单元“0”和超表面单元“1”的尺寸相同，整体尺寸为4mm×4mm ×3.6mm。
(二)超表面单元“0”的上层介质基板5的厚度为2mm、介电常数为4.4，下层介质基板7的厚度为1.6mm、介电常数为4.4。
(三)超表面单元“1”上层介质基板9的厚度为2mm、介电常数为4.4，下层介质基板11的厚度为1.6mm、介电常数为4.4。
(四)上层介质基板1内部被2296个均匀分布且相同的完整圆柱通孔11贯穿，四周边缘被112个均匀分布且相同的半圆柱通孔12贯穿。112个半圆柱通孔12和2296 个完整的圆柱通孔11的半径相同为0.8mm。
(五)超表面单元“0”的上层介质处于边缘中点位置的四个完全相同的半圆柱通孔和处于中心位置的一个完整的圆柱通孔贯穿。四个半圆柱通孔和完整的圆柱通孔的半径相同为0.8mm。
超表面单元“1”的上层介质基板1被处于边缘中点位置的四个完全相同的半圆柱通孔和处于中心位置的一个完整的圆柱通孔贯穿。四个半圆柱通孔和完整的圆柱通孔的半径相同为0.8mm。
(七)第一圆环金属片61的宽带为0.35mm，内圆半径为1.9mm，外圆半径为 1.55mm。第一、二圆弧形金属片101、103的宽度为0.4mm，内圆半径为1.9mm，外圆半径为1.5mm，第一、二弓形金属贴片102、104的最大宽度为0.25mm，弦长为0.97mm。
(八)将7×7个超表面单元“0”或超表面单元“1”组成一个子阵。进而将4×4 个子阵随机排列组成超表面，“0”单元和“1”单元在较宽的频段内存在180°±37°的相位差。
图3是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的“0”单元和“1”单元的反射相位曲线图。
图4是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的“0”单元和“1”单元的反射相位差曲线图，在8.2GHz-33.7GHz内，“0”单元和“1”单元具有18°±37°相位差(阴影区域)。
图5是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面和等大金属板的雷达散射截面随频率变化的曲线图。
图6是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面的雷达散射截面缩减量的曲线图，在8.2GHz-36.1GHz频段内，相比较等大金属板，本发明宽带雷达散射截面缩减超表面实现了10dB以上的雷达散射截面缩减。
图7是本发明宽带雷达散射截面缩减超表面在24.5GHz的3-D散射方向图，反射能量被漫反射到其他方向，从而大大缩减了垂直方向上的反射能量。
综上所述，本发明宽带雷达散射截面缩减超表面具有宽带特性，低RCS，结构简单，易于加工实现，成本低。
Claims (8)
1.一种宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，包括由上至下设置的上层介质基板(1)、中间层金属贴片(2)、下层介质基板(3)、底层金属贴片(4)；
超表面由4×4个子阵排列组成，每个子阵由7×7个超表面单元0或超表面单元1组成，超表面单元0和超表面单元1存在180°±37°的相位差。
2.根据权利要求1所述的宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述上层介质基板(1)内部被2296个均匀分布且相同的圆柱通孔(11)贯穿，四周边缘被112个均匀分布且相同的半圆柱通孔(12)贯穿。
3.根据权利要求2所述的宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述圆柱通孔(11)和半圆柱通孔(12)的半径均相同。
4.根据权利要求3所述的宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述中间层金属贴片(2)由8个第一组金属贴片(21)和8个第二组金属贴片(22)随机排布而成，第一组金属贴片(21)由7×7个第一金属片(21-1)组成，第二组金属贴片(22)由7×7个第二金属片(22-1)组成。
5.根据权利要求4所述的宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述超表面单元0的上表面为正方形，每一个超表面单元0中的上层介质基板(1)被处于正方形中心位置的一个圆柱通孔(11)，以及正方形四条边上的半个圆柱通孔(11)或者半圆柱通孔(12)贯穿；所述第一金属片(21-1)由第一圆环金属片(201)构成。
6.根据权利要求5所述的宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，所述超表面单元1的上表面为正方形，每一个超表面单元1中的上层介质基板(1)被处于正方形中心位置的一个圆柱通孔(11)，以及处于正方形四条边上的半个圆柱通孔(11)或者半圆柱通孔(12)贯穿；
所述第二金属片(22-1)包括第一、二圆弧形金属片(101、103)以及第一、二弓形金属贴片(102、104)，其中第一、二圆弧形金属片(101、103)上、下对称设置于同一圆周上，第一、二弓形金属贴片(102、104)完全相同且上下对称设置于该圆周的中心位置。
7.根据权利要求6所述的宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，第一圆环金属片(201)与第一、二圆弧形金属片(101、103)所在圆周的半径相等。
8.根据权利要求7所述的宽带雷达散射截面缩减超表面，其特征在于，上层介质基板(1)厚度为2mm，下层介质基板(3)的厚度为1.6mm，超表面的整体高度为3.6mm。
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