宽带、极化不敏感螺旋编码RCS减缩超表面及其设计方法与流程

本发明属于雷达隐身技术领域，具体涉及一种基于单螺旋循环编码排列和线性相位梯度的超宽带、极化不敏感rcs减缩超表面及其设计方法。

背景技术：

随着雷达探测技术的快速发展，隐身特性逐渐成为衡量飞行目标性能优劣的重要指标。雷达对目标的探测主要取决于被探测对象的雷达散射截面(rcs)，因此，缩小rcs成为实现隐身最重要的手段。传统的隐身技术主要通过改变飞行目标外形和涂覆雷达吸波材料(ram)实现rcs的缩减，如b-2轰炸机，除了通过其扁平的外形设计实现雷达探测隐身外，在机体表面还涂覆4层ram，以实现rcs缩减最大化，类似方式实现雷达隐身的还有f-22猛禽战机。但由于快速飞行目标的空气动力学因素限制，通过外形设计实现rcs缩减会引起目标机动性急剧下降，同时多层涂覆ram会增加目标重量和厚度，另外能适用多波段的高吸收率ram比较昂贵，使得其在目标隐身应用中的代价很高。有关资料表明，b-2和f-22每飞行一次需更换ram，每次更换需35小时，成本花费高昂。鉴于外形和ram隐身存在的诸多缺陷，研究人员开始探索更为经济有效的方法手段来实现目标隐身。

超表面是由亚波长人工电磁结构按照一定排列方式构成，具有强大电磁波调控能力的新型人工复合结构，其作为一种新兴技术，有望能解决上述隐身方案中存在的缺陷，同时作为超材料的二维平面情形，可望与飞机、导弹等一些高速飞行目标共形，在军事、航天、通信系统中具有广阔应用前景。由于超表面的优异特性和强大电磁调控能力，其在目标电磁隐身中的潜在应用被逐渐发掘出来，并取得阶段性进展。2007年，棋盘结构的人工磁导体(amc)超表面首次被应用于rcs缩减领域，虽然其窄带特性、极化敏感性以及特定区域(后向)rcs减缩限制了它的实际应用，但该方法极大激发了人们对宽带、极化不敏感、大角度入射和双站rcs减缩的研究热潮，期望有朝一日这一技术能够真正用到实际中去，成为代替传统ram的新型隐身材料。

本发明公布了一种基于单螺旋循环编码排列和线性相位梯度的超宽带rcs减缩超表面及其设计方法，该方法简单高效，解决了现有rcs减缩超表面设计需要大量优化而引起的耗时耗力问题，同时具有大角度入射、极化不敏感等优异性能，在雷达电磁隐身领域具有重要潜在应用前景。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种具有极化不敏感和大角度入射的超宽带rcs减缩超表面及其设计方法。

本发明提出的极化不敏感、大角度入射超宽带rcs减缩超表面集螺旋编码技术、线性相位梯度超表面和多模级联于一体的全新隐身器件。如图1所示，超宽带、极化不敏感螺旋编码rcs减缩超表面为二维有限尺寸结构，由8×8个具有不同梯度方向的8种线性超单元(模块)按螺旋序列排列而成；所述8种线性超单元的梯度方向分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，依次编号为1、2、3、4、5、6、7和8，每个线性超单元为二维有限尺寸结构，由6×6个具有不同尺寸的6种人工电磁结构单元按线性梯度构成，均完全覆盖360°，相位梯度为60°；所述螺旋序列为由外而内的单螺旋循环排列方式，即1234567812345678……，数字编号代表对应梯度方向的线性超单元；所述人工电磁结构单元为一种旋转对称反射结构，由上层内部闭合环(谐振环)和外部耶路撒冷金属结构、中层介质板和底层金属铜板组成(见图2所示)。

记人工电磁结构单元的大小尺寸为a，所述上层金属结构中，内部谐振环和外部耶路撒冷结构的金属条宽度为d，谐振环的大小尺寸为a/2，介质板厚度为b，底层金属铜板厚度为c；单元周期为p。

下面具体给出本发明极化不敏感螺旋编码rcs减缩超表面的设计方法步骤，主要有以下三步设计流程。

第一步：宽带、极化不敏感、亚波长超表面单元设计：

宽带、极化不敏感rcs减缩超表面设计，首要问题是设计具有宽频工作和极化不敏感特性的超表面单元，其基本理论依据是由系列单元构成超表面的群集响应会继承单元的宽带、极化不敏感特性。根据极化转化相关领域知识，要想获得极化不敏感特性，单元必须具有四周旋转对称特性。同时为获得宽频特性，单元反射幅度必须近1，相位响应在很宽频率范围内具有线性度好、品质因数低等优异特性。

根据上述分析，我们发明了一种由内部矩形谐振环和外部耶路撒冷十字金属结构组成的多模反射单元结构，如图2所示。整个单元由上层金属结构、中层介质板和底层金属地板组成，通过上层金属结构和地板的耦合提供谐振于不同频率的多个磁谐振模式，利用多模级联思想打开单元在边缘频率处的相位，提高单元相位的线性度和随结构参数的相位变化范围(覆盖大于360°)，从而最终达到拓展单元工作带宽的目的。同时由于单元具有旋转对称特性，不同极化电磁波照射到超表面时会产生相似散射频谱，单元电磁散射响应对x、y线极化波具有极化不敏感性。

为使单元相位特性达到最宽，利用商业仿真软件cst对单元结构参数进行优化，使得各谐振模式合理级联。最终单元周期为p＝6mm，介质板为厚度为2mm、相对介电常数4.3、电损耗正切0.001的环氧玻璃布板，谐振环和耶路撒冷结构的宽度为d＝0.2mm。底层金属铜板厚度可为0.036mm。通过改变整个金属结构尺寸a而保持其他参数不变来获得各单元所需相位梯度。最终超单元由6种不同尺寸a的单元组成，相位梯度设计在f0＝15ghz处，相位梯度为60°，6种单元对应的相位分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°，达到了0°到360°相位覆盖。通过合理选取6种单元的尺寸a，使得各单元的相位特性曲线在f0附近很宽的带宽范围内具有完美的平行度，如图3所示。最终确定的6种不同单元的结构尺寸a分别为4.62mm、3.95mm、3.36mm、3.04mm、2.78mm和2.3mm。

第二步：基于广义snell反射定律的8种超单元设计：

θi＝0°时广义snell反射定律如图4所示，根据广义snell反射定律，当入射波以角度θi入射到超表面时反射主波束的俯仰角θr和方位角由下式决定：

其中，是入射电磁波在真空中的波失，分别为二维平面上x、y方向的相位梯度，分别为x、y方向上相邻单元之间的相位差，p为单元周期。上式表明通过合理设计x、y方向上的相位梯度，可以任意操控超表面的梯度波矢ka。而异常反射波矢kr是镜反射波矢kr0与梯度波矢ka的合成，因此通过操控ka可以进一步任意操控反射波束的偏折方向(波束指向)。

根据上述理论分析，分别设计了一维梯度超单元和二维梯度超单元。如图5所示，一维梯度超单元中，相位梯度仅存在于x方向且为60°，y方向为0°。此时梯度方向为x方向；二维梯度超单元中，相位梯度同时存在于x、y方向，且和均为60°。此时梯度方向为方向。如图6所示，通过对上述一维、二维超单元分别进行90°、180°和270°旋转，可以生成另外6种梯度方向不同的超单元，最终获得的8种超单元梯度方向分别为45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°，依次编号为1、2、3、4、5、6、7和8，达到了梯度方向在二维平面内的360°覆盖。

第三步：宽带、极化不敏感螺旋编码rcs减缩超表面的建模设计：

基于第一步的超表面单元设计和第二步的8种超单元设计，第三步则是如何合理利用8种超单元构建rcs减缩超表面。

首先需要确定超表面的尺寸，也即超单元的数量。这里为便于设计，超表面采用方形布局，即x、y方向的超单元数量l和m相同。综合衡量计算时间、样品制作成本与超表面有限尺寸对rcs减缩特性的影响，这里超表面中超单元的数量为l×m＝8×8，尺寸为288×288mm²；

其次确定编码序列，即8种超单元的排列方式。为最大程度上打散入射电磁波，减小目标在各给角度上的散射强度从而降低双站rcs检测下的雷达发现几率，超表面中任意相邻超单元的梯度方向各异。基于这种考虑，本发明设计了一种由外而内的单螺旋循环排列方式：1234567812345678……，具体见图7所示，即：12345678-1234567-8123456-781234-567812-34567-81234-5678-1234-567-812-34-56-7-8。其中，“-”表示螺旋转折处，数字代表对应梯度方向的不同超单元，与图6中数字序列对应。最终螺旋编码rcs减缩超表面的梯度方向分布如图8所示，箭头代表超单元的梯度方向，通过这种排列方式设计的超表面保证了任意相邻超单元梯度方向各异，从而可以最大限度破坏超表面一致散射的等相位面，达到最大限度打散电磁波的目的。

最后根据超单元和超单元单螺旋循环排列方式并通过寻根算法，在cst中利用vba宏建立螺旋编码超表面结构。

不同于以往基于奇异波束偏折和表面波转化的rcs减缩方法，本发明rcs减缩超表面首次提出基于多种线性相位梯度超单元的螺旋编码来解决双站rcs检测下的电磁隐身问题，使得入射电磁波入射到超表面后能在各个方向上将电磁散射能量均匀打散在各个方向上；同时利用旋转对称单元实现rcs减缩超表面的极化不敏感性问题，使得rcs减缩特性不随入射波极化变化而改变，可以是不同极化角的线极化波；最后本发明通过多模级联来实现rcs减缩超表面的超宽带工作。本发明超宽带、极化不敏感rcs减缩特性无需优化，具有鲁棒性好、易加工和厚度薄等优异特性。

附图说明

图1为单螺旋循环编码超表面结构图。

图2为多模谐振级联超表面单元结构图。

图3为不同尺寸a下超表面单元的反射相位频谱图。

图4为电磁波垂直入射时广义snell反射定律示意图。

图5为双谐振单元构成的(a)一维线性相位梯度超单元和(b)二维线性相位梯度超单元。

图6为由2种线性相位梯度超单元通过旋转生成的8种不同梯度方向超单元。

图7为单螺旋循环编码超表面的序列编码图。

图8为单螺旋循环编码超表面中各超单元的梯度方向图。

图9为线性相位梯度超表面中各超单元的梯度方向图。

图10为x、y极化电磁波照射下单螺旋循环编码超表面的rcs频谱曲线图。

图11为金属平板、线性相位梯度和单螺旋循环编码超表面在垂直入射情形下15.2、18.2和22ghz的三维散射方向图。

图12为垂直入射下(b，d)单螺旋循环编码超表面和(a，c)线性相位梯度超表面的(a，b)近场分布和(c，d)表面电流分布。

图13为不同角度斜入射时螺旋编码超表面的仿真、测试后向rcs减缩频谱图。

图14为面内金属平板、线性相位梯度和单螺旋循环编码超表面的双站rcs分布图。

图15为面内金属平板、线性相位梯度和单螺旋循环编码超表面的双站rcs分布图。

具体实施方式

根据前面建立的单螺旋循环编码超表面设计方法，我们可以快速自动化设计具有任意尺寸的螺旋编码超表面。下面以8×8个超单元通过单螺旋循环编码构成的超表面为例，介绍设计过程，设计结果，并对结果进行分析。为揭示本发明方法的优越性，将其结果与不采用螺旋编码的常规线性相位梯度超表面的散射特性进行对比，线性相位梯度超表面中各超单元的梯度方向如图9所示。为公平比较，两种情形下超表面尺寸、介质板规格以及实验条件完全相同。

设计制作中，介质板采用环氧玻璃布板，其介电常数εr＝4.3，电正切损耗tanσ＝0.001，金属铜箔厚度0.036mm，介质板厚度为h＝2mm，单元周期为p＝6mm，构成线性梯度超单元的6种单元几何结构参数分别为：a＝4.62mm，3.95mm，3.36mm，3.04mm，2.78mm，2.30mm。

超表面单元的工作原理：当电磁波垂直入射时，y、x极化电场作用下会在平行于极化方向上的金属细贴片上产生感应电流，而金属背板与上层结构的耦合作用使得金属背板产生反向电流，介质板中产生位移电流，感应电流和位移电流最终形成闭合回路并产生磁谐振。而上层金属结构的多个模式会在不同频率处产生不同的局域磁谐振回路。由于单元具有旋转对称性，因此y、x两种极化下具有完全相同的电磁响应。

超表面漫反射原理：一方面，8种超单元的偏折方向各异，当平面波垂直照射到由这些相位梯度超单元构成的超表面上时，根据广义snell反射定律，反射波会被这些不同偏折方向的超单元打散：另一方面，螺旋编码使得相邻超单元的偏折方向各异，这种非周期性的排列方式可以使反射波进一步打散，从而实现散射特性以及rcs缩减功能，同时螺旋编码使得超单元的排列方式有章可循，是确定的，无需优化。

通过优化调整单元的金属结构参数可以控制y、x极化下各谐振模式的频谱位置从而调谐整个单元的反射相位，获得360°相位覆盖、最佳线性度和宽带相位响应。

为验证本发明单螺旋循环编码超表面的宽带散射特性，采用商业仿真软件cstmicrowavestudio对超表面的散射频谱进行电磁仿真，其中沿x、y、z方向的6个边界均采用开放边界条件，平面波沿z方向垂直入射，分别使用x、y极化的线极化波进行垂直照射。

实施例：尺寸为288×288mm²的单螺旋循环编码超表面的超宽带rcs减缩结果

下面对上式设计的超表面rcs减缩结果进行说明和验证。分别采用x、y极化波对超表面进行照射，得到结果如图10所示。可以看出，无论是x极化波还是y极化波激励，单螺旋循环编码超表面均能很好地降低后向rcs，具有几乎完全相同的散射频谱响应，验证了本发明超表面的极化不敏感特性。同时，rcs减缩频谱结果显示单螺旋循环编码超表面在13-23ghz范围内具有优异的rcs缩减特性，rcs减缩值均超过10db。

为验证超表面的双站rcs减缩特性，对远区散射场进行仿真，得到超表面的3d散射方向图。图11分别给出了等尺寸理想金属板、线性相位梯度超表面和单螺旋循环编码超表面在15.2、18.2和22ghz处的远区3d散射方向图。可以看出，与金属板的镜像强散射相比，单螺旋循环编码超表面能完美地将反射电磁波均匀打散在空间各个方向上，散射能量在各角度上得到了最大平滑和均一化。实现了良好的均匀漫反射特性，而线性相位梯度超表面的散射波主要分布于3个方向，对应于n＝-1，n＝0和n＝+1三个散射模式，三个强散射模式的存在使得线性相位梯度超表面在该三个方向上极易被敌方雷达检测发现，不具有隐身特性。

为解释本发明单螺旋循环编码超表面的均匀漫反射机理，图12给出了单螺旋循环编码超表面与线性相位梯度超表面在15.2g处的表面电流分布和电场分布。可以看出，单螺旋循环编码超表面比线性相位梯度超表面具有更加的碎片化、杂乱无章电流和近场分布，表明前者的散射一致等相位面被彻底破坏，解释并进一步验证了本发明超表面具有显著打散散射电磁波和均一化空间散射场的能力，而相反线性相位梯度超表面具有比较明显的等相位面，解释了空间特定方向上的强散射。

为进一步验证本发明方法打散电磁波和实现超宽带rcs缩减的能力，加工了一块面积为288×288mm²的单螺旋循环编码超表面样品并在微波暗室中对其散射强度进行了测量。由于被测频段较宽，采用两组共组于不同频段的线极化喇叭对样品的散射强度进行测试。第一组线极化收发喇叭工作于10-18ghz，第二组线极化收发喇叭工作于18-26ghz。测试时发射、接收喇叭与待测样品置于同一高度。另外，为衡量超表面在大角度入射情形下rcs减缩的鲁棒性，对样品在不同角度斜入射时的散射波也进行了测试。测试结果如图13所示，可以看出0°、30°和60°入射情形下仿真结果与测试结果均吻合良好，所有情形下，超表面均能很好实现宽带rcs缩减。当入射角为0°时，螺旋编码超表面的10dbrcs缩减仿真带宽为13-23ghz，测试带宽为12.2-23.4ghz；入射角为30°时，10db仿真带宽为13-23.2ghz，测试带宽为11-23ghz；入射角为60°时，rcs减缩性能有所下降，但均满足8.7db且仿真带宽达13.2-23.2ghz，测试带宽达到12-23ghz。综上所述，螺旋编码超表面在宽角度(最高可达60°)入射情况下，依然具有很好的rcs缩减特性。

图14和图15给出了电磁波垂直入射时和平面内的双站rcs仿真曲线图。可以看出，面内线性相位梯度超表面的最高副瓣值出现在-31.5°，为6.49db，而螺旋编码超表面的最高副瓣值出现在+34°，为4.89db，峰值缩减1.6db；面内线性相位梯度超表面的最高副瓣值出现在+36.5°，为6.16db，而螺旋编码超表面的最高副瓣出现在+34°，为3.35db，峰值缩减为2.81db。

综上，近场分布、远场散射方向图与rcs减缩频谱均显示单螺旋循环编码超表面的超宽带、极化不敏感rcs减缩特性和均匀打散电磁波能力，上述特性和能力在超过60°的大入射角情形下依旧保持的很好。相比于随机编码超表面的耗时优化设计，单螺旋循环编码超表面设计简单、效果明显、对极化和入射角具有很好的鲁棒性、无需优化，具有固有打散电磁波的能力，在未来电磁隐身领域具有重要潜在应用价值。