一种高精度低RCS的2bit编码超表面

一种高精度低rcs的2bit编码超表面
技术领域
1.本发明属于电磁超材料设计领域，具体涉及一种高精度低rcs的2bit编码超表面。


背景技术：

2.伴随着雷达探测技术的快速发展，与之有关的各类反侦测技术的水平也不断提升，反侦测技术研究对提高设备的生存能力以及抗干扰能力有着重大意义，因而受到世界各国越来越多的重视。
3.反侦察技术的主要目的在于实现目标特征信号的有效控制，利用各种反侦察手段削弱己方信号的可探测特性，可以降低己方装备被侦测、跟踪或者被打击的概率，实现对己方装备的防护。
4.雷达散射截面(radar cross section,rcs)是一个通过数值量化来描述目标散射特性的物理量，它表示目标被入射电磁波照射后沿某一方向回射的散射功率的大小。
5.目前常用的降低rcs的方法有加载雷达吸波材料、改变目标形状等。其中，加载雷达吸波材料可以实现电磁波能量向欧姆损耗转化的特性，以显著降低目标雷达散射截面，但这种方法对目标辐射性能影响较大，且对频率和入射角度都比较敏感，工作频带也比较窄。改变目标形状结构指对隐身设备进行特殊的形状设计，或对各方向的平面和边缘周围的形状进行修改和调整，使能量向其他方向散射，以达到有效降低特定角度区域的雷达回波强度的目的。这种方法的缺点是，电磁隐身观点所认可的适宜形状可能与空气动力学要求的适宜形状不一致。
6.近年来，多种人工新型材料被应用于降低天线rcs，而编码超表面作为一个新的研究课题，为降低rcs提供了新的方案。
7.不同的编码序列的散射特性是不同的，规则的编码序列散射特性也是有规律可循。同样地，当编码呈现无规律性时，散射特性会向多个方向无序化，根据能量守恒，每个散射波的能量会变小，因此可以实现rcs的降低。
8.综上所述，亟需一种超宽带且rcs缩减量大的编码超表面结构。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种高精度低rcs的2bit编码超表面，该超表面包括：高精度低rcs的2bit编码超表面由4种超级子单元构成，每种超级子单元均由4个相同的子单元构成；
10.所述子单元包括上层金属图案层(1)、中间介质层(2)和下层接地板金属层(3)；中间介质层设置(2)在上层金属图案层(1)和下层接地板金属层(3)之间；所述上层金属图案层(1)包括1个十字金属条和4个半圆环金属条，4个半圆环金属条均匀设置在十字金属条的横向金属条和竖向金属条上，半圆环金属条的开口背离十字金属条的交叉点向外设置，十字金属条中横向金属条的长度和宽度分别与竖向金属条的长度和宽度相等。
11.优选的，子单元为上下左右对称结构。
12.优选的，4种超级子单元上的十字金属条的横向金属条长度分别为7.40mm、5.00mm、4.44mm和3.59mm。
13.优选的，十字金属条中横向金属条和竖向金属条的宽度为0.5mm，厚度为0.018mm。
14.优选的，半圆环金属条的外圆半径为1.00mm，内圆半径为0.5mm。
15.优选的，中间介质层(2)和下层接地板金属层(3)的表面为正方形，边长均为7.50mm，中间介质层(2)的厚度为2.00mm，下层接地板金属层(3)的厚度为0.018mm。
16.优选的，高精度低rcs的2bit编码超表面上的4种超级子单元以n
×
n的方式排列。
17.优选的，上层金属图案层(1)和下层接地板金属层(3)的材质为铜。
18.优选的，中间介质层(2)的材质为玻璃纤维环氧树脂材料fr-4。
19.本发明的有益效果为：本发明设计的高精度低rcs的2bit编码超表面采用多个超级子单元组成，超级子单元由4个相同的子单元组成，每个子单元的上层金属图案层包括1个十字金属条和4个半圆环金属条，4个半圆环金属条均匀设置在十字金属条的四个端部上，半圆环金属条的开口背离十字金属条的交叉点向外设置；与现有技术相比，本发明具有超宽带的特性，可以在3.1～29.7ghz范围内，实现相对带宽为162％的宽频带10db以上的rcs缩减，最大缩减量可以达到45.03db，本发明所设计的编码超表面，具有低剖面，体积小，易于加工与共形的优点，实用性高。
附图说明
20.图1为本发明中子单元结构主视图；
21.图2为本发明中子单元结构主视图和侧视图。
22.图3为本发明中4种子单元示意图；
23.图4为本发明中4种子单元的反射幅度曲线图；
24.图5为本发明中4种子单元的反射相位曲线图；
25.图6为本发明中编码超表面中4种超级子单元的结构示意图；
26.图7为本发明中一优选实施例与对比结构的rcs对比曲线图；
27.图8为本发明中一优选实施例的rcs缩减曲线图；
28.图9为本发明中一优选实施例与对比结构在11.9ghz时的三维散射图；
29.图10为本发明中一优选实施例与对比结构的在11.9ghz时yoz面的方向图；
30.图中：1、上层金属图案层；2、中间介质层；3、下层接地板金属层。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明提出了一种高精度低rcs的2bit编码超表面，如图1、图2所示，所述超表面包括：高精度低rcs的2bit编码超表面由4种超级子单元构成，每种超级子单元均由4个相同的子单元构成，4个相同的子单元以2
×
2的方式排列；
33.所述子单元包括上层金属图案层1、中间介质层2和下层接地板金属层3；中间介质
层2设置在上层金属图案层1和下层接地板金属层3之间；所述上层金属图案层1包括1个十字金属条和4个半圆环金属条，4个半圆环金属条均匀设置在十字金属条的横向金属条和竖向金属条上，半圆环金属条的开口背离十字金属条的交叉点向外设置，十字金属条中横向金属条的长度和宽度分别与竖向金属条的长度和宽度相等。通过采用4个相同子单元以2
×
2的方式固定排列构成超级子单元，以解决单元间的耦合问题。
34.子单元为上下左右对称结构；4个半圆环金属条的圆心与其所在横向金属条或纵向金属条上距半圆环金属条圆心最近顶端的距离不限，优选的，4个半圆环金属条的圆心均与其所在横向金属条或纵向金属条的顶端重合以保证金属表面结构的对称性。
35.如图3所示，4种超级子单元上的十字金属条的横向金属条长度分别为7.40mm、5.00mm、4.44mm和3.59mm。在cst仿真软件中，通过调节十字金属条中横向金属条和竖向金属条的长度l进行参数扫描，来获取不同l对应的反射幅度和相位值；如图4所示，在14.42ghz频率处，l＝5.00mm时的反射相位为90.17
°
，约等于90
°
，l＝7.4mm时的反射相位值为0.01
°
，l＝4.44mm时的反射相位值为179.78
°
，l＝3.59mm时的反射相位值为-89.88
°
；如图5所示，四个超级子单元在14.42ghz频率的反射幅度值均近似相等；因此，该超级子单元上的十字金属条的横向金属条的长度取值可以满足2bit编码超表面的设计需求。
36.十字金属条中横向金属条和竖向金属条的宽度为0.5mm，厚度为0.018mm。
37.半圆环金属条的外圆半径为1.00mm，内圆半径为0.5mm。
38.中间介质层2和下层接地板金属层3的表面为正方形，边长均为7.50mm，中间介质层2的厚度为2.00mm，下层接地板金属层3的厚度为0.018mm。
39.高精度低rcs的2bit编码超表面上的4种超级子单元以n
×
n的方式排列；四种超级子单元分别编码为00、01、10和11；通过设计不同的编码序列进行排列，为了避免单元间的耦合，子单元以2
×
2的形式组合成超级子单元，如图6所示。采用编程软件获取超表面最佳编码矩阵，根据超级子单元的编码，将四种超级子单元按n
×
n模式排列组合，实现超表面排布随机化。
40.上层金属图案层1和下层接地板金属层3的材质为铜，其电导率为σ＝5.8
×
107s/m。
41.中间介质层2的材质为玻璃纤维环氧树脂材料fr-4(lossy)，其相对介电常数为4.3，损耗角正切值为0.002。
42.当电磁波照射在本发明设计的高精度低rcs的2bit编码超表面上时，电磁波在空间的各个方向上都能被尽可能地散射，从而形成更多的波束，根据能量守恒定律，波束更多，则波束在各个方向上的能量更小，从而达到rcs缩小的目的。
43.对本发明进行评价，为了验证优化后的超表面的rcs性能，将4种超级子单元以8
×
8的方式随机排列的高精度低rcs的2bit编码超表面与同尺寸的理想电导体(pec)进行比较，仿真结果如图7所示，本发明在3.1～29.7ghz内具有低散射特性，如图8所示，与对比结构相比，本发明可以在3.1～29.7ghz范围内实现相对带宽为162％的宽频带，此频段范围内rcs的缩减值都在10db以上，最大缩减值在11.9ghz时达到45.03db。如图9所示，pec具有恒定的反射相位，从图9(a)可以看出强反射。然而，对于本发明，从图9(b)可以看出由于表面阵列之间的多次反射，来自表面的主瓣能量被搬移到其他非法线方向，从而有效降低了雷达散射截面，设计的超表面反射波的散射振幅在法线方向上相当低；其中，图9(a)为在
11.9ghz时对比结构的三维散射图，图9(b)为在11.9ghz时本发明的三维散射图。
44.如图10所示，在二维方向图，对比结构在法线方向上出现能量较为集中的主瓣，而超表面明显出现了旁瓣，将法线方向的能量减少，已经达到了减小rcs的目的，在此频点达到45.03db的最大缩减量。
45.综上，本发明具有超宽带的特性，可以在3.1～29.7ghz范围内实现相对带宽为162％的宽频带10db以上的rcs缩减，最大缩减量可以达到45.03db，本发明所设计的编码超表面，具有低剖面，体积小，易于加工与共形的优点，实用性高。
46.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。