CN115775983A - 一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法，涉及电磁超表面设计技术领域，包括若干个呈矩形周期排布的有源反射/透射结构单元，每个结构单元包括矩形介质板、设置在介质板上下表面的双层谐振结构、设置在介质板中间相互正交排布的偏置馈电层、金属反射板；谐振结构包括上下两层对称的H形金属贴片，并由开关PIN开关管在H形金属贴片中心连接；反射板与谐振结构下表面间隔一定距离；本发明能够同时实现雷达散射截面积减缩(10.42‑12.71GHz内垂直入射TE极化电磁波雷达散射截面积缩减达到7‑16dBsm)与透射波相位调制。

Description

一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法

技术领域

本发明涉及电磁超表面设计技术领域，具体涉及一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法。

背景技术

在通信系统中，天线是重要的一环。作为信号的发送者和接收者，它是现阶段电子设备当中用来发射以及接收无线通信电信号的重要装置。天线是通过辐射和被辐射无线电波来进行工作，实现信息在空间中的传递。天线的发展最早可追溯到19世纪末赫兹建立的第一个线天线系统(偶极子-谐振环)。二战前夕，随着微波速调管及磁控管的诞生，微波雷达问世，厘米波得到了普及。20世纪30年代初期，面天线得到了极大的发展，同期出现了介质谐振天线、缝隙天线、螺旋天线等。同时，天线系统构成也从单天线过渡到多天线阵列。单天线系统受限于波束宽度大、增益低、灵活性差，已无法满足民用基站和军用雷达需求。相控阵技术作为近年来发展的主流备受青睐。相控阵技术是指通过电路调节辐射单元的辐射相位，使电磁波在空域相干，实现波束重定向。相控阵天线系统具有波束宽度窄、增益高、扫描灵活性强等特点。但传统相控阵系统除作为辐射器的天线以外，还包括衰减器、功分器、移相器等后级射频电路，复杂度与成本较高。超表面技术作为近年来的新兴技术，通过调节透射/反射波的相位及幅度实现波束扫描功能，具有易于部署、成本低、能耗低和可编程等优势。

天线系统遍布在新时代装备系统各处，其存在于导航系统、雷达系统、通信系统、遥测遥感系统、电子侦察及对抗系统等。作为强散射源，在电子战的时代背景下，战车、战机和船舰上的天线平台除辐射特性需求以外，其散射性能更是决定了其战时生存能力，以雷达散射截面积(RCS)衡量。低RCS天线系统也成为各国研究的热点。近些年来人们对于低散射相控阵辐射相位调控技术天线平台做了大量的研究，总结如下：

阵列天线无源RCS减缩技术，主要包括电阻吸波器减缩技术和棋盘排布表面减缩技术。电阻吸波器减缩技术是通过设计频率选择表面并加载电阻元件，利用电阻元件将耦合到频率选择表面上的电流消耗吸收从而实现RCS减缩；棋盘排布表面减缩技术则是将对角线对称等频率选择表面结构按顺时针或逆时针方向依次旋转90°组成的4个两两反射相位相反的单元，并放置于天线四周，在电磁波垂直入射方向相位相消从而达到RCS减缩目的。然而上述方法均需要外置数控移相器等相位调控电路来实现对辐射波相位的调控从而达到RCS减缩的效果。

阵列天线有源RCS减缩技术，是指将辐射器或者天线载体平台加载有源器件实现对反射波相位的调制，使反射波在空间相干，实现RCS的减缩。例如，将阵列天线周围敷设谐振环并加载变容二极管，实现对反射波的相位调控并完成RCS减缩。此种方法实现对反射波的相位调控实现RCS减缩，但上文所提及天线RCS减缩及辐射相位调控一体化仍未实现。

综上，天线RCS减缩与辐射相位调控一体化的问题亟需解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法，所设计的有源编码超表面能够实现天线RCS减缩与辐射相位调控一体化，针对该超表面的设计方法能够设计获得满足对入射波散射、辐射波相位调控的功能需求，且能实现RCS缩减的低散射宽带有源编码超表面

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种低散射宽带有源编码超表面，包括若干个呈矩形周期排布的结构单元，每个结构单元包括矩形介质板、第一谐振结构、第二谐振结构、偏置馈电层以及金属反射板。

其中第一谐振结构和第二谐振结构分设与于矩形介质板的上下表面；第一谐振结构和第二谐振结构均为H形金属贴片，二者在矩形介质板的上下表面上对称设置，并由开关PIN开关管在两H形金属贴片中心连接。

偏置馈电层设置于矩形介质板的中间位置处。

金属反射板设置于第二谐振结构之下，二者相隔设定距离。

优选地，低散射宽带有源编码超表面用于针对工作频段10.42—12.71GHz内垂直入射TE极化波实现7-16dBsm的RCS减缩。

优选地，选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向；其中，作为沿y方向镜像对称的结构，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l₁，宽度为w₁；两个y方向单臂的中央均沿x方向开设扼流槽，扼流槽长边沿x方向，长度同样为w₁，宽度为w_s；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l₂，宽度为w₂，PIN开关管焊盘空隙位于H形金属贴片正中心并沿y方向分布，间距为w_gap。

优选地，矩形介质板采用Taconic TLX-8材料，其厚度为h_sub，排列周期间隔为w_sub，介电常数为2.55，损耗正切值为0.0017。

优选地，金属反射板与第二谐振结构下表面的间隔为h。

优选地，金属反射板的材料为铜。

本发明另外一个实施例还提供了一种低散射宽带有源编码超表面的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据如权利要求1的一种低散射宽带有源编码超表面结构，建立超表面模型；其中针对第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸进行如下设计。

确定中心工作频率f，根据中心工作频率f以及矩形介质板的参数，根据公式(1)、(2)确定有效谐振结构长度W，其中矩形介质板的参数包括矩形介质板的相对介电常数ε_r，矩形介质板的等效介电常数ε_e和矩形介质板的厚度h_sub；

其中，c为光在真空中的传播速度，W为有效谐振结构长度。

确定有效谐振结构长度W之后，设定第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，使其满足公式(3)：

W＝l₁-w₂+2l₂ (3)

其中选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l₁，宽度为w₁；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l₂，宽度为w₂；即所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸包括l₁、w₂、l₂。

步骤2：利用步骤1设计的超表面模型，采用入射波先后两次通过谐振结构，推得谐振结构在透射状态下，单程透射波相位差

若

满足公式(4)，则所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸为最终所求，否则返回步骤1重新设计直至获得最终所求；

其中，

和

分别为PIN开关管截止状态1和导通状态0的反射相位。

有益效果：

1.本发明提供了一种低散射宽带有源编码超表面，具体部件包括：矩形介质板、设置在介质板上下表面的双层谐振结构、金属反射板；当外界TE极化入射波入射并通过超表面谐振结构后，反射波将被反射板全反射，随后再次通过谐振结构并辐射至自由空间之中。通过针对性的设计，该超表面还具有对辐射波进行相位调制的功能，相较于使用移相器等后级微波电路实现相位调制的传统天线，本发明实现了集RCS缩减与辐射相位调控功能一体化设计。

2.本发明提供了针对低散射宽带有源编码超表面的设计方法，根据超表面的工作频率，设计具体的相位调制表面以及反射表面的具体结构及尺寸，通过中心工作频率计算出相位调制表面谐振结构的有效长度，进而确定H形谐振结构的物理尺寸。根据设计结果，该低散射宽带有源编码反射/透射超表面能够实现对辐射波的相位调控，并且工作频段10.42—12.71GHz内垂直入射TE极化波实现7-16dBsm的RCS减缩。与现有技术相比，该技术实现了宽频带范围内辐射相位调制与RCS减缩一体化设计。

附图说明

图1的(a)、(b)、(c)分别为低散射宽带有源编码反射/透射超表面单元结构、尺寸、工作原理示意图。

图2为低散射宽带有源编码反射/透射超表面透射移相单元结构示意图。

图3为低散射宽带有源编码反射/透射超表面透射移相单元在PIN开关管ON/OFF状态下透射波幅度、相位曲线。

图4为低散射宽带有源编码反射/透射超表面在PIN开关管ON/OFF状态下反射波幅度、相位曲线。

图5为低散射宽带有源编码反射/透射超表面PIN开关管编码示意图。

图6为低散射宽带有源编码反射/透射超表面雷达散射截面积结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种低散射宽带有源编码超表面，如图1所示，包括若干个呈矩形周期排布的结构单元，每个结构单元包括矩形介质板、第一谐振结构、第二谐振结构、偏置馈电层以及金属反射办板；

其中第一谐振结构和第二谐振结构分设与于矩形介质板的上下表面；第一谐振结构和第二谐振结构均为H形金属贴片，二者在矩形介质板的上下表面上对称设置，并由开关PIN开关管在两H形金属贴片中心连接。

偏置馈电层设置于矩形介质板的中间位置处。

金属反射板设置于第二谐振结构之下，二者相隔设定距离。

选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向；

其中，作为沿y方向镜像对称的结构，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l₁，宽度为w₁；两个y方向单臂的中央均沿x方向开设扼流槽，扼流槽长边沿x方向，长度同样为w₁，宽度为w_s；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l₂，宽度为w₂，PIN开关管焊盘空隙位于H形金属贴片正中心并沿y方向分布，间距为w_gap。矩形介质板采用Taconic TLX-8材料，其厚度为h_sub，排列周期间隔为w_sub，介电常数为2.55，损耗正切值为0.0017。

针对该低散射宽带有源编码超表面的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据如权利要求1的一种低散射宽带有源编码超表面结构，建立超表面模型；其中针对第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸进行如下设计：

确定中心工作频率f，根据中心工作频率f以及矩形介质板的参数，根据公式(1)、(2)确定有效谐振结构长度W，其中矩形介质板的参数包括矩形介质板的相对介电常数ε_r，矩形介质板的等效介电常数ε_e和矩形介质板的厚度h_sub；

其中，c为光在真空中的传播速度，W为有效谐振结构长度；

确定有效谐振结构长度W之后，设定第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，使其满足公式(3)：

W＝l₁-w₂+2l₂ (3)

其中选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l₁，宽度为w₁；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l₂，宽度为w₂；即所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸包括l₁、w₂、l₂；

步骤2：利用步骤1设计的超表面模型，采用入射波先后两次通过谐振结构，推得谐振结构在透射状态下，单程透射波相位差Δφ，若Δφ满足公式(4)，则所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸为最终所求，否则返回步骤1重新设计直至获得最终所求；

Δφ＝(φ_0-φ_1)/2＝π/2 (4)

其中，φ_0和φ_1分别为PIN开关管截止状态1和导通状态0的反射相位。

实施例1：

本发明实施例提出一种低散射宽带有源编码超表面，如图1(a)所示，具体部件包括：矩形介质板、设置在介质板上下表面的双层谐振结构、金属反射板。

如图1(b)所示，谐振结构包括上下两层对称的两个完全相同H形金属贴片，并由开关PIN开关管在两H形金属贴片中心连接。

本发明的一个实施例中，超表面单元为矩形，并选取一个边为x方向，与其互相垂直的另一边为y方向，其边长均为w_sub＝12mm，上下双层介质厚度均为h_sub＝1.57mm。其中，H形谐振结构的短边沿y方向分布，长度为l₁＝8mm，宽度为w₁＝2.4mm，扼流槽长边沿x方向分布，长度为w₁＝2.4mm，宽度为w_s＝0.3mm；长边覆盖范围沿x方向分布，长度为l₃＝8.6mm，PIN开关管焊盘空隙位于H形金属贴片正中心并沿y方向分布，间距为w_gap＝0.3mm，长度为w₂＝1.6mm。嵌入在谐振结构中心的开关管在导通状态下等效为电路参数为R＝7.8Ω，L＝30pH；在关断状态下等效电路参数为L＝30pH；C＝0.025pF。位于反射板与底层谐振结构之间的距离为底层的金属地板与介质层之间的距离为h＝2.4mm。

本发明的一个实施例中，介质板的介电常数为2.55，金属贴片、馈电线和金属层的材料为铜，PIN开关管的型号为MADP-000907-14020x。

实施例2：

图3详细地描述所提出的低散射电磁超表面的设计原理，当外界TE极化入射波(蓝色箭头所示)入射并通过超表面谐振结构后，反射波将被反射板全反射，随后再次通过谐振结构并辐射至自由空间之中。为了实现超表面的低散射特性，超表面单元须满足以下两个条件：第一，经超表面单元反射回自由空间的电磁波远场相位需实现0和π两个编码状态，即两个态之间的相位差为π；第二，两个编码状态的超表面单元实现棋盘状分布，如图5所示。同时，辐射器的辐射波亦可通过超表面单元实现相位调制。

首先在确定中心工作频率约为11.5GHz，f，由于超表面单元谐振结构尺寸由工作频率和介质板参数共同决定：

其中，c为光在真空中的传播速度，f为中心工作频率，ε_r为介质层的相对介电常数，ε_e为介质层的等效介电常数,h_sub为介质层的厚度，W为本发明中有效谐振结构长度(电流流经)，这里与图1(b)中所标注的尺寸有如下关系：

W＝l₁-w₂+2l₂ (3)

为了保证工作频率内TE极化入射波能够完整地透过谐振结构，需加入沿x轴方向扼流槽切断沿y轴方向上产生的交叉极化感应电流，从而保证稳定一致的感应电流通路。

经过分析，入射波将先后两次通过谐振结构，可推得谐振结构在透射状态下，单程透射波相位差

满足条件为：

其中，

和

分别为PIN开关管截止(0FF)状态1和导通(ON)状态0的反射相位。谐振结构如图2所示，上述结构尺寸决定了本发明的工作频率，而谐振结构双面PIN开关管则负责透射相位的调制。结果如图3所示，可以得到：在工作频带内的主极化透射性均能稳定保持在-3dB以上，同时满足在开关管处于ON/OFF(0/1)状态下超表面对应编码状态的透射相位差处于

附近。加入反射板后，反射波的幅度和相位结果如图4所示：不难看出，在工作频带内，当开关管状态处于ON/OFF(0/1)状态下，其对应的编码状态的反射相位差均处于π附近，结果与原理设计相吻合。

如图(5)所示，将所提出的超表面单元以棋盘形状排布，以垂直入射的TE极化波激励，以同尺寸PEC金属平板、超表面(全ON或OFF)分布进行对比，雷达散射截面积如图(6)所示：对于同尺寸PEC金属板，入射波全反射时雷达散射截面积达到最大；全ON与全OFF状态下超表面会由于少量插入损耗导致雷达散射截面积略微降低；而所提出的低散射超表面在10.42—12.71GHz工作频带内实现7-16dBsm的雷达散射截面积减缩，相对工作带宽达到20％，同时本发明中所提出的超表面还具有对如图1(c)中的辐射波进行相位调制的功能，相较于使用移相器等后级微波电路实现相位调制的传统天线，本发明实现了集隐身与辐射相位调控功能一体化设计。

针对上述任一实施例提供的一种低散射宽带有源编码超表面，本发明提供了针对性的设计方法，该设计方法的原理为：确定超表面的功能与工作原理。对于超表面的外部入射波，超表面需实现对其散射的调控，从而达到低散射的特性；对于超表面内部的辐射波，超表面需要实现对透射波的相位调控。通过分析，所设计的超表面应该具有相位调制表面(谐振结构)与反射表面(金属反射板)两部分。对于相位调制表面，需要实现对透射(入射与辐射)波的调制；对于反射表面，需要其与相位调制表面配合实现对于超表面外部入射波的散射特性。

该设计方法的步骤为：

S1：根据超表面的工作频率，设计具体的相位调制表面以及反射表面的具体结构及尺寸。超表面周期单元间距的限制决定了相位调制表面的谐振结构不能完全呈现直线排列，故本发明使用了H形谐振结构并添加扼流槽控制谐振结构表面电流。通过中心工作频率计算出相位调制表面谐振结构的有效长度，进而确定H形谐振结构的物理尺寸。

S2：加载PIN开关管完成相位调制表面的设计。根据上述步骤分析计算的超表面谐振结构尺寸进行建模并添加开关管，利用有源器件PIN开关管实现相位调制功能。最后对整体的相位调制表面进行仿真优化，满足原理中对入射波散射、辐射波相位调控的功能需求。

根据入射波低散射控制原理，将相位调制表面进行01(ON/OFF)状态棋盘分布并添加反射器，完成最终发明设计。

在本实施例中，最终设计的低散射超表面的性能如下：

本发明实施例的结构可在TE极化波垂直入射时，在相对带宽达到20％的10.42—12.71GHz频段内实现雷达散射截面积7-16dBsm的减缩并且对辐射相位实现调控。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种低散射宽带有源编码超表面，其特征在于，包括若干个呈矩形周期排布的结构单元，每个结构单元包括矩形介质板、第一谐振结构、第二谐振结构、偏置馈电层以及金属反射板；

其中第一谐振结构和第二谐振结构分设与于所述矩形介质板的上下表面；第一谐振结构和第二谐振结构均为H形金属贴片，二者在矩形介质板的上下表面上对称设置，并由开关PIN开关管在两H形金属贴片中心连接；

所述偏置馈电层设置于所述矩形介质板的中间位置处；

所述金属反射板设置于第二谐振结构之下，二者相隔设定距离。

2.如权利要求1所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，所述低散射宽带有源编码超表面用于针对工作频段10.42—12.71GHz内垂直入射TE极化波实现7-16dBsm的RCS减缩。

3.如权利要求1所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向；

其中，作为沿y方向镜像对称的结构，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l₁，宽度为w₁；两个y方向单臂的中央均沿x方向开设扼流槽，扼流槽长边沿x方向，长度同样为w₁，宽度为w_s；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l₂，宽度为w₂，PIN开关管焊盘空隙位于H形金属贴片正中心并沿y方向分布，间距为w_gap。

4.如权利要求1或2所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，所述矩形介质板采用Taconic TLX-8材料，其厚度为h_sub，排列周期间隔为w_sub，介电常数为2.55，损耗正切值为0.0017。

5.如权利要求1或2所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，金属反射板与第二谐振结构下表面的间隔为h。

6.如权利要求1或2所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，所述金属反射板的材料为铜。

7.一种低散射宽带有源编码超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据如权利要求1所述的一种低散射宽带有源编码超表面结构，建立超表面模型；其中针对第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸进行如下设计：

确定中心工作频率f，根据中心工作频率f以及所述矩形介质板的参数，根据公式(1)、(2)确定有效谐振结构长度W，其中所述矩形介质板的参数包括矩形介质板的相对介电常数ε_r，矩形介质板的等效介电常数ε_e和矩形介质板的厚度h_sub；

其中，c为光在真空中的传播速度，W为有效谐振结构长度；

确定有效谐振结构长度W之后，设定第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，使其满足公式(3)：

W＝l₁-w₂+2l₂ (3)

其中选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l₁，宽度为w₁；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l₂，宽度为w₂；即所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸包括l₁、w₂、l₂；

步骤2：利用步骤1设计的超表面模型，采用入射波先后两次通过谐振结构，推得谐振结构在透射状态下，单程透射波相位差

若

满足公式(4)，则所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸为最终所求，否则返回步骤1重新设计直至获得最终所求；

其中，

和

分别为PIN开关管截止状态1和导通状态0的反射相位。

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