一种多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料的制作方法

本发明属于新型人工电磁材料领域，更具体地，涉及一种多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料。

背景技术：

新型人工电磁材料，也称电磁超材料(metamaterial)，是一种由亚波长结构周期或准周期阵列构成的人工材料。电磁超材料可以调控电磁波的幅度、相位、极化状态、频率乃至角动量，因此引起了广泛的关注。超材料具有广泛的应用，例如吸收体、平面透镜和极化转换器等。

在现代社会中，天线技术有着非常多的应用，因此，天线罩应用也收到了广泛关注。天线罩可以保护天线系统不受外界干扰。它可以承受恶劣的外部环境对机械性能带来的影响，保护天线免受阳光、风沙、雨雪等的侵害，使天线系统的性能稳定可靠，同时也能降低天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。为了保证天线性能不受影响，它们必须允许电磁波以低损耗传输。基于带通频率选择表面(fss)的特性，可以将其应用于天线罩的设计中。但传统的基于fss的天线罩往往会反射带外信号，因此其雷达散射截面(radarcrosssection，rcs)较大。天线系统的隐身将受到不利影响。

目前，超材料通常需要具备多功能性才能处理实际情况。频率选择吸波体(frequencyselectiverasorber，fsr)可以看作是fss、天线罩和吸收体的组合。与传统的fss天线罩相比，基于fsr的天线罩可以低损耗通过电磁波，同时可以吸收带外信号而不是反射。除吸收外，还有许多其他的方法来降低rcs，例如散射对消。基于散射对消机制的fsr，可以在低损耗透波的同时，散射带外信号，从而降低天线罩的rcs，保障天线的隐身性能。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决基于fss的传统天线罩的缺点，提供一种多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料，应用该超材料的天线罩可以实现宽带rcs缩减并在带内低损耗透波。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下方案：

一种多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料，该电磁编码超材料基本单元包括依次设置的第一金属层、第一介质板层、蜂窝层、第二介质板层以及第二金属层；所述第一金属层为耶路撒冷十字，所述耶路撒冷十字具备轴对称性，不具备旋转90°对称性；所述第二金属层为开十字槽金属；所述电磁编码超材料的“0”和“1”两个基本单元为同一结构，“0”单元旋转90°后成为“1”单元。

进一步地，该电磁编码超材料的第一、第二介质板层的厚度为0.25-0.5mm，介电常数为2.2-3，蜂窝层的厚度为6-9mm，介电常数为1.07-1.15；基本单元结构的单元周期长度为14-20mm。

进一步地，定义垂直于超表面的方向为z方向，沿z方向传播的x极化波与沿z方向传播的y极化波分别入射下，反射波幅度相同而相位相差为180°，透射波幅度相同而相位相差为0°。

进一步地，所述的超材料为超表面。

进一步地，相位调控的方式集成了电路相位和几何相位两种机理，其中电路相位通过第一金属层的耶路撒冷十字的结构参数进行调控，几何相位通过两种单元间旋转获得的90°进行调控。

进一步地，所述电磁编码超材料包括若干超胞，每个超胞含有多个相同的“0”或者“1”编码单元。

本发明还提供一种天线罩，所述天线罩的表面设有上述的多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.本发明中的多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料，有一个低损耗的透波频点的同时，在透波带两边为rcs缩减带，天线的隐身性能得到保障的同时性能不受影响。

2.本发明同时利用了几何相位与电路相位进行调控，因此对于同极化反射波和交叉极化反射波都具备散射对消的效果，设计更加简单而且工作带宽更宽。

3本发明的rcs缩减性能具有一定的宽带特性，并且在透波频点处的插损较小。

4本发明结构简单，便于实现，利用印制电路板工艺即可完成制备。

附图说明

图1为本发明的基本单元模型立体图；

图2为本发明的基本单元模型拆分结构示意图；

图3为本发明的基本单元中第一金属层的结构示意图；

图4为本发明的基本单元中第二金属层的结构示意图；

图5为本发明“0”和“1”数字态编码单元对正入射电磁波的反射系数的相位图；

图6为本发明“0”和“1”数字态编码单元对正入射电磁波的反射系数、透射系数的幅度图；

图7为本发明“0”和“1”数字态编码单元对正入射电磁波的透射系数的相位图；

图8为本发明的一种编码矩阵图；

图9为本发明通过矢量计算得到反射系数和透射系数结果图。

具体实施方式

本发明实施例公开的一种多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料，分为散射对消编码超表面和透射型频率选择表面。该电磁编码超材料基本单元包括依次设置的第一金属层、第一介质板层、蜂窝层、第二介质板层以及第二金属层。其中第一金属层、第一介质板层、蜂窝层、第二介质板层共同组成了散射对消编码超表面，第二金属层构成了透射型频率选择表面。

本发明实施例中金属材料可采用铜，介质板可采用型号为f4b的微波介质板。该电磁编码超材料两个基本单元为同一结构，“0”单元旋转90°后成为“1”单元。优选地，介质板层的厚度为0.25-0.5mm，介电常数为2.2-3，蜂窝层的厚度为6-9mm，介电常数为1.07-1.15。基本单元结构的单元周期长度为14-20mm。第一金属层为耶路撒冷十字(由两个相交的工字型金属条构成)，该耶路撒冷十字具备轴对称性，但不具备旋转90°对称性；第二金属层为开十字槽金属。

定义垂直于超表面的方向为z方向，沿z方向传播的x极化波与沿z方向传播的y极化波分别入射下，反射波幅度相同而相位相差接近180°，透射波幅度相同而相位相差接近0°。

该超材料为超表面，相位调控的方式集成了电路相位和几何相位两种机理，其中电路相位通过第一金属层的耶路撒冷十字的结构参数进行调控，几何相位通过两种单元间旋转获得的90°进行调控。

本发明实施例还公开了一种应用该超材料的天线罩，该天线罩表面设有上述的多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料，可实现宽带rcs缩减并在带内低损耗透波，保障天线的隐身性能。

下面结合附图和具体实例，进一步阐述本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。在本发明中，以基本单元“0”单元旋转90°作为“1”单元，并设计编码矩阵，以实现对正入射的电磁波在特定频段内散射并在散射带内特定频点处透波。下面结合附图对于本发明进行更深入的阐述。

图1和2展示了多种相位调控集成的散射透波一体化电磁编码超材料的基本构成单元，它是实现上述功能的关键。单元为多层堆叠结构，“0”和“1”数字态编码单元从上至下依次为第一金属层1、第一介质板层2、蜂窝层3、第二介质板层4和第二金属层5。整个单元结构的周期长度为16mm，介质板层的厚度为0.25mm，介电常数为2.65，蜂窝层的厚度为8.5mm。

图3和4展示了第一金属层和第二金属层的结构，其中所标注出的结构参数为：a1＝13.5mm,a2＝6.5mm,q3＝3mm,a4＝7mm,a5＝14mm,w1＝0.5mm,w2＝0.5mm。第一金属层作为各向异性超表面，对于沿z方向(定义垂直于超表面的方向为z方向)传播的x极化波与沿z方向传播的y极化波起到了提供电路相位差的作用，而第二金属层作为带通型频率选择表面，能够在特定的频点提供透波窗口。

图5-7表明，对于“0”和“1”数字态编码单元，反射与透射系数的振幅比较一致，且反射频段两单元的相位差接近180°，透射频点处相位差接近0°。

图8为所设计的一种编码矩阵图案。在本发明中，我们引入了超胞，每一个超胞有4*4个相同的“0”或者“1”编码单元构成从而构成一个单一的编码位，而整个超材料由6*6个超胞组成，因此整个编码超材料的尺寸为384mm*384mm。

图9为这个编码矩阵图案下反射系数和透射系数的矢量计算结果，从图中可以看到本发明具有一个中频通带以及两侧的两个吸收带，且透波带与吸收带之间没有间隔，在宽带内都能起到rcs缩减的作用，9ghz处的透波频点的最小插损为0.9db,而在3.5-11.5ghz内都有-10db的rcs缩减。