一种反射型超宽带低RCS相位梯度超表面的制作方法

一种反射型超宽带低rcs相位梯度超表面
技术领域
1.本发明属于电磁超材料技术。


背景技术：

2.随着电子信息技术的快速发展，武器装备和作战平台的隐身性能越来越得到重视。具有优良隐身性能的装备在现代军事对抗中被探测发现的概率大大下降，被发现的时间延长了，生存能力也大幅增加。目标隐身的实质是通过改变其结构外形或给其增加异性材料，将雷达发射的电磁波吸收或散射到其他方向，使来波方向的反射信号能量变低，从而加大雷达探测的难度。为表征目标的散射特性提出了雷达散射截面积(radar cross section，rcs)的概念，即雷达接收机处的反射功率密度与目标处的入射波功率密度之比。散射体的rcs越小，被探测的距离越小，其隐身性就越强。如当目标rcs缩减10db时，雷达对该目标的探测距离缩短到原来的55％左右。
3.电磁超材料(metamaterials)是一种人工设计的由亚波长尺寸的周期阵列单元构成的新型电磁材料，其拥有许多不同于自然界中常规材料的超常物理特性。电磁超表面(metasurface)是超材料结构的二维形式，相位梯度超表面(phase gradient metasurface，pgm)作为电磁超材料的一个重要研究内容，其缩减rcs原理是通过引入不同的相位突变单元，当电磁波垂直入射到存在相位梯度的超表面时会发生表面波耦合或者电磁波的异常反射，从而实现正向反射能量的降低。相较于传统隐身材料如吸波材料等，超表面结构具有剖面低、重量轻、损耗小、加工简单等特点，并且相位梯度超表面结构能够灵活调控电磁波如改变电磁波的极化模式和传播方向，因此采用相位梯度超表面设计来缩减目标的rcs，具有一定的使用价值。
4.目前设计相位梯度的方法主要有三种：(1)改变角度，如2011年哈佛大学的研究学者yu等人首先提出了相位梯度超表面的概念，设计了一种v型结构的相位梯度超单元，主要通过改变结构臂长和两臂之间的夹角使得反射相位覆盖了2π范围，相邻单元的反射相位差为π/4，共引入8个单元构成了相位梯度超表面，实现了对电磁波的异常反射效果；此外，2014年空军工程大学李勇峰等人设计了一种二维非色散高效相位梯度超表面，通过在面内旋转结构单元实现相位变化从而对电磁波实现调控；(2)改变结构尺寸，如2012年复旦大学周磊教授课题组等人设计了一种h型单元，通过改变贴片的臂长，并在一维方向上排布引入梯度实现了在宽频带内的电磁波异常反射效果；(3)加载有源器件，通过在单元结构上加载电阻、二极管等，改变器件的电参数可有效改变反射相位和反射系数，如2013年hong等人加载变容二极管并通过调节其电容值来改变单元的反射相位，实现对电磁波束的偏转效果。
5.现有技术中，超表面只能在较窄的频段内实现对电磁波的调控，反射率不是很理想，对极化波的敏感度较高。


技术实现要素：

6.为了解决以上技术存在的不足，本发明基于相位梯度超表面对电磁波的异常反射
作用，提出了一种反射型超宽带低rcs相位梯度超表面，与同尺寸的pec板相比，具有更低的散射截面积，在宽频带范围内具有良好的电磁隐身效果。
7.本发明采取的技术设计方案为：
8.一种反射型超宽带低rcs相位梯度超表面，包括四个相同的超单元块，按顺时针旋转排布；其中超单元块由四个形状相同但尺寸不等的单元按照4
×
4的线性形式排列组成，每个单元由介质基板和印制在介质基板上下表面的两层金属构成。
9.进一步的，四个尺寸不同的单元按照尺寸大小依次线性排列，在一个方向上引入相位梯度，并将四个单元在其正交方向上重复排列三次形成一个超单元块。
10.进一步的，四个超单元块按顺时针方向旋转90
°
正交排列组成超表面结构。
11.进一步的，所述单元的上层金属部分由两个金属圆环构成，并在内圆环中接一个十字形状的贴片，内圆环与十字形的贴片连接成一体。
12.更进一步的，所述四个单元上层金属部分的整体尺寸由外圆环的直径控制，内圆环的直径和十字形贴片的长度随外圆环的直径变化，而圆环的宽度、两个圆环的间距以及十字形贴片的宽度均保持不变。
13.本发明的有益效果为：当电磁波垂直入射时，实现了电磁波的均匀散射，并且该超表面与同尺寸大小的pec板相比，在宽频带范围内的rcs更小。
附图说明
14.图1是本发明的超表面单元结构示意图：(a)三维立体图，(b)二维俯视图；
15.图2是本发明的超表面超单元块结构示意图；
16.图3是本发明的相位梯度超表面整体结构示意图；
17.图4是本发明的超表面单元不同r值下的反射响应随频率变化曲线图：(a)为反射率曲线，(b)为反射相位曲线；
18.图5是本发明的超表面与同尺寸的pec板在电磁波波入射时的单站rcs和缩减量随频率变化曲线图：(a)为超表面和pec的rcs曲线，(b)为超表面的rcs缩减量曲线；
19.图6是本发明的超表面与同尺寸的pec板在电磁波垂直时18ghz的二维散射曲线。
20.图中：1：印制板上表面金属层；1-1：构成1的外圆环；1-2：构成1的内圆环；1-3：在内圆环内部的十字形贴片；2：介质板；3：印制板下表面金属层；r：外圆环半径；d1：圆环宽度和十字形贴片宽度；d2：内外圆环之间的距离；h：介质材料厚度。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施案例，对本发明作进一步详细说明。
22.本发明提出了一种反射型超宽带低rcs相位梯度超表面，包括四个相同的超单元块，按顺时针旋转排布；其中超单元块由四个形状相同但尺寸不等的单元按照4
×
4的线性形式排列组成，每个单元由介质基板和印制在介质基板上下表面的两层金属构成。
23.优选的，金属层1由内外两个同心圆环1-1、1-2和一个内接在内圆环的十字形贴片1-3组成，金属层2为一整块反射板，尺寸与介质大小一致。
24.优选的，组成超单元块的四个单元形状相同，尺寸由外圆环的直径控制，内圆环的直径和十字形贴片的长度随外圆环的直径变化，圆环的宽度、两个圆环的间距以及十字形
贴片的宽度均保持不变；
25.优选的，超单元块由四个单元按照尺寸大小依次线性排列从而在一个方向上引入相位梯度，并将四个单元在其正交方向上重复排列三次形成；
26.优选的，超表面由四个相同的超单元块按顺时针方向依次旋转90
°
正交排布组成。
27.实施例1
28.参照图1，超表面单元的结构三维示意图和二维俯视图，本发明的单元由三层结构组成：上面一层为金属贴片1，中间层是介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料2，介质材料厚度h为2mm，起支撑和印刷金属表层的作用，介质下表面为金属反射板3，尺寸与介质层的下表面保持一致。上表面的金属贴片由内外两个圆环1-1、1-2以及内接在内圆环的十字形贴片结构1-3组成，外圆环的半径r作为变量不固定，用来控制相位的变化，内外两个圆环的宽度相等用d1表示均为0.5mm，两个圆环之间的间距d2为0.45mm，十字形贴片与内圆环连接为一个整体，长度与内圆环的内径相等，十字形贴片宽度与两个圆环的宽度相等为0.5mm，单元的周期p为8mm。该单元结构在正交方向上具有对称性，具有极化不敏感的特点。
29.参照图2，为四个尺寸不同的单元构成的超单元块，为覆盖0-2π的相位，相邻单元的相位差在工作频带内保持在π/4左右，因此4个单元对应的外圆环半径r值分别取2mm、2.3mm、2.7mm、3mm，结构的其余尺寸均与上面所述保持不变。超单元块的结构形式是由四种尺寸的单元从小到大排列成一组，在另一正交方向上重复三组形成共由16个单元组成，每种尺寸的单元为4个。
30.参照图3，为超单元块按照顺时针方向依次旋转90
°
排列组成的超表面结构，共64个单元，其在水平和垂直方向具有一致性。
31.以下结合仿真实验，对本发明的有益效果作进一步说明。
32.1、仿真条件和内容
33.利用商业仿真软件对实施案例1超表面单元的反射率和反射相位以及超表面与同尺寸pec板的rcs进行了仿真，仿真结果如图4～6所示。
34.2、仿真结果分析
35.参照图4，为实施例1中的超表面单元在r值分别取2.0mm、2.3mm、2.7mm和3.0mm时的反射率和反射相位在频率10-26ghz范围内的变化曲线，可以看出单元的反射率均在99％以上，反射性能良好，并且随着r值增大，反射相位曲线的斜率增大，相邻尺寸单元之间形成相位梯度，相位差在π/4左右，四个单元的相位差覆盖2π范围。
36.参照图5，为实施例1中的超表面和同尺寸的pec板在电磁波垂直入射时，单站rcs随频率变化曲线和超表面相较于pec板的rcs缩减量曲线，可以看出设计的超表面在频带内rcs均有不同程度的缩减，其中在12-23.8ghz的宽频带范围内缩减量均在10db以上。因此本发明的相位梯度超表面具有明显的隐身效果。
37.参照图6，为实施例1中的超表面和pec板在中心频率为18ghz时电磁波垂直入射下的二维散射曲线，从图中可以看出，超表面与pec相比，法向的主瓣反射能量降低，均匀散射到四个方向，在
±
10
°
的角域内，超表面都具有更低的反射能量。因此，该超表面具有异常反射电磁波的作用。