超宽带全极化全角度旋转抛物梯度电磁隐身超表面及其设计方法技术

本发明专利技术属于雷达散射横截面减缩隐身技术领域，具体为一种超宽带全极化全角度旋转抛物梯度电磁隐身超表面及其设计方法。本发明专利技术电磁隐身器件为有限尺寸的旋转抛物梯度数字超表面，由L×M个周期相同但相位不同的种抛物梯度模块（子阵）按照某种随机序列排列构成，包括1位数字超表面，2位数字超表面，3位数字超表面，所述模块由基本单元组成，设计步骤包括：多位旋转抛物梯度数字超表面中各模块的拓扑结构与相位分布的设计，多位旋转抛物梯度数字超表面的超宽带单元结构设计，多位旋转抛物梯度数字超表面建模。本发明专利技术设计的电磁隐身超表面具有鲁棒性好，超宽工作带宽，厚度薄，易加工等优异特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达散射横截面（RCS）减缩隐身
，具体涉及一种基于旋转抛物梯度数字超表面的全极化、全角度超宽带电磁隐身器件及设计方法。
技术介绍
隐身是一个亘古不变的话题，在过去的几百年时间里一直存在于神话传说和小说中，如哈利波特的隐身斗篷等。所谓电磁隐身，是指目标的信号特征在一定电磁频段范围内无法被雷达等探测设备发现和识别，从而迫使敌方电子探测系统和武器平台降低战斗效力，提高我方武器的突防能力和生存能力。目前世界各国科学家都在致力于新机理隐身研究，根据实现方法和工作机制，新机理隐身技术可以分为以下四类：（1）基于光学变换的超材料隐身衣，以地毯隐身衣为代表，基本原理是基于麦克斯韦方程组的形式不变性，实质是让电磁波既不反射、散射也不吸收，而是让电磁波沿着物体表面传播，类似于小溪里的流水，经过石头时溪流会绕过石头后再合拢并继续向前，就像未遇到过石头等任何障碍物一样；（2）基于散射对消技术的等离子体激元（SPP）隐身衣，主要通过很小或者负的介电常数或磁导率超材料产生一个本地极化矢量，由于该极化矢量与目标产生的极化矢量反相且互相抵消，从而降低了目标的散射强度，基于该原理该技术后来发展成较为实用的超薄披衣技术，主要通过精心设计披衣的等效表面阻抗，利用其响应入射电磁波时产生的反相散射场来破坏性地干扰目标的散射场；（3）传输线隐身衣，通过一个精心设计的传输线匹配网络将入射电磁波耦合到每个传输线网格中，然后通过传输线网格引导耦合电磁波绕着网格周围传输而不与目标发生交互作用；（4）基于随机超表面的漫反射RCS减缩技术，主要通过随机排列和优化相位为0°和180°的两种单元，产生相消干涉，打散一致相位分布，能量在不同单元交界面处发生无规则散射并最终被有效散射到空间各个方向。（5）利用超薄超材料的电磁谐振损耗吸收电磁波能量，使得入射电磁波打到目标后反射RCS显著减小。以上隐身方法各具优点和缺点，基于光学变换的超材料隐身衣虽然能获得理想的隐身效果且隐身区域不受限制，但依赖要求苛刻的非均匀各向异性材料参数，难于实现，且块状材料笨重，加工复杂，限制了其应用和推广。SPP散射对消技术属于光频隐身，微波段SPP仅仅是人工电磁结构对光波段电磁特性的一种模拟，难以对消高阶散射项。传输线网格隐身仅限于小网格目标，隐身区域非常受限。漫反射隐身技术由于不受隐身区域与材料限制，重量轻，且超薄披衣通过赋形技术能与任意武器平台表面共形，在新机理隐身技术中最具潜力，但以往数字超表面模块均由相同基本单元（均匀模块）构成，只能在某个极化电磁波探测下和某些方向上（后向散射）能保持低RCS水平，而当探测信号极化一旦发生改变，不再具有RCS减缩特性，且由于能量只能打散在个别有限方向，根据能量守恒定理有限散射方向上的能量必定较大，仍然存在很大的截获发现几率，这对于双站或多站检测技术该方案完全失效，同时为尽可能使电磁散射变得更加均匀分布往往将希望寄托于复杂的相位优化技术，复杂耗时的全局优化算法使得设计非常复杂、效率低，不具有鲁棒性。如何解决全极化、全角度RCS减缩瓶颈问题成为电磁隐身领域亟需解决一个重要科学问题。梯度超表面技术作为一种新兴技术，可望能解决上述隐身方案存在的缺陷，同时可望与飞机、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。鉴于此，本专利技术提出了一种基于旋转抛物梯度数字超表面来降低目标RCS的学术思想和设计方法，梯度模块由旋转角度不同的单元按抛物线相位分布排列组成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种全极化、全角度超宽带电磁隐身器件及其设计方法。本专利技术提出的全极化、全角度超宽带电磁隐身器件，是集旋转PB相位、抛物梯度超表面和数字超表面于一体的全新综合器件。如图1所示，全极化、全角度超宽带电磁隐身器件为有限尺寸的旋转抛物梯度数字超表面，其中N位数字超表面由L×M（图中为5×5）个周期完全相同但相位不同的种抛物梯度模块（子阵）按照某种随机序列排列构成，如1位数字超表面由2种（）不同模块组成，对应于编码=0和1；2位数字超表面由4种（）不同模块组成，分别对应于编码=00，01，10和11；3位数字超表面由8种（）不同模块组成，分别对应于编码=000，001，010，011，100，101，110和111，这里不同编码排列构成了数字超表面的序列，当N=0时，数字超表面变成了周期超表面。所述模块可以由相同结构参数单元通过旋转不同角度来实现，也可以由不同结构参数单元实现，该情形下不同灰度模块代表不同相位。而不同灰度梯度模块有多种定义和表征，如不同灰度模块可以代表抛物梯度模块具有不同的焦距，也可以代抛物梯度模块具有不同的附加相位。N位数字超表面的电磁散射特性和信息由模块以及模块内基本单元的排列方式决定。例如，对于模块由相同反射单元组成的1位数字超表面，全0和全1分布的超表面具有最大后向散射，0和1随机分布和棋盘分布由于漫反射和散射对消后向散射会明显减小。因此研究模块以及模块内单元的排列方式对电磁散射特性的影响规律是研究多位数字超表面电磁散射特性的关键。下面给出本专利技术全极化、全角度超宽带旋转抛物梯度数字表面的设计方法。第一步：多位旋转抛物梯度数字超表面中各模块的拓扑结构与相位分布的设计；全极化、全角度旋转抛物梯度数字超表面设计，其首要问题就是如何设计多位抛物梯度模块，而多位抛物梯度模块设计包括设计、构建模块的拓扑结构与相位分布。在设计模块拓扑结构之前，首先需要确定模块的口径大小，即模块沿x、y方向的单元个数P、Q，一般情况下，为便于设计选取P=Q。同时为避免多个散射栅瓣，P、Q不能太大，通常满足条件P≤7，Q≤7。图2和图3给出了收敛和发散两种情形下多位数字超表面各模块的相位分布，每个模块包含5×5个基本单元。对于1位抛物梯度数字超表面，0、1模块对应于附加相位0°和180°；对于2位抛物梯度数字超表面，00、01、10和11模块分别对应于附加相位0°，90°，180°和270°；对于3位抛物梯度数字超表面，000、001、010、011、100、101、110和111模块分别对应于附加相位0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°。N位数字超表面模块的相位与编码之间关系满足（这里为编码序列，N为数字超表面的位数，与N满足关系），因此编码为的抛物梯度模块相位分布可以根据如下公式进行计算：(1)这里，p，m和n分别表示梯度模块中单元沿x，y轴的周期和位置信息，F表示焦距，φ(0,0)表示模块中心的相位，通过F、P与Q可以控制模块上的相位覆盖范围，这里以完整覆盖360°为设计目标，符号-/+分别对应发散/聚焦两种情形。这里0模块的设计准是使得式（1）计算的相位变化范围刚好落在0°~360°，构建了起始模块的相位分布后其余模块的相位只需附加特定且大于360°的相位自动减去360°的整数倍即可。第二步：多位旋转抛物梯度数字超表面的超宽带单元结构设计；基于PB相位条件，与超宽带条件来设计单元结构，这里，和，分别表示反射辐射和相位，其中下标x、y表示入射波的极化方向。采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带，假设x、y两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带全极化全角度旋转抛物梯度电磁隐身超表面的设计方法，其中，全极化、全角度超宽带电磁隐身器件为有限尺寸的旋转抛物梯度N位数字超表面，其中N位数字超表面由L×M个周期完全相同但相位不同的种抛物梯度模块即子阵按照某种随机序列排列构成；所述抛物梯度模块可以由相同结构参数单元通过旋转不同角度来实现，也可以由不同结构参数单元实现，该情形下不同灰度模块代表不同相位；而不同灰度梯度模块有多种定义和表征，如不同灰度模块可以代表抛物梯度模块具有不同的焦距，也可以代抛物梯度模块具有不同的附加相位；N位数字超表面的电磁散射特性和信息由模块以及模块内基本单元的排列方式决定；其特征在于，设计的具体步骤如下：第一步：多位旋转抛物梯度数字超表面中各模块的拓扑结构与相位分布的设计：全极化、全角度旋转抛物梯度数字超表面设计的首要问题是如何设计多位抛物梯度模块，而多位抛物梯度模块设计包括设计、构建模块的拓扑结构与相位分布，具体过程为：在设计模块拓扑结构之前，首先需要确定模块的口径大小，即模块沿x、y方向的单元个数P、Q，即满足条件P≤7，Q≤7；每个模块包含5×5个基本单元；N位数字超表面模块的相位与编码之间关系满足，这里为编码序列，N为数字超表面的位数，与N满足关系，因此编码为的抛物梯度模块相位分布根据如下公式进行计算：(1)其中，p，m和n分别表示梯度模块中单元沿x，y轴的周期和位置信息，F表示焦距，φ(0, 0)表示模块中心的相位，通过F、P与Q可以控制模块上的相位覆盖范围，这里以完整覆盖360°为设计目标，符号‑/+分别对应发散/聚焦两种情形；其中0模块的设计标准是使得式（1）计算的相位变化范围刚好落在0°~360°，构建起始模块的相位分布后，其余模块的相位只需附加特定且大于360°的相位自动减去360°的整数倍即可；第二步：多位旋转抛物梯度数字超表面的超宽带单元结构设计：基于PB相位条件，与超宽带条件来设计超宽带单元结构，这里，、，和、分别表示反射辐射和相位，其中，下标x、y表示入射波的极化方向；采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带，假设x、y两极化下各模式的谐振频率分别为、和以及、和；由此，超宽带超表面单元结构设计如下：由三层金属结构和2层介质板组成；其中，上层金属结构由5个关于y轴镜像对称的垂直金属细贴片组成，中层金属结构由5个关于x轴镜像对称的水平金属细贴片组成，底层金属结构为金属背板，该拓扑结构保证该体系是一个纯反射特系，没有任何传输；上层金属结构在上层介质板上面，中层金属结构在上层介质板与下层介质板之间，底层金属结构在下层介质板背面；设l1、w1分别为5个细贴片中中间贴片的长度和宽度，l2、w2分别为5个细贴片中位于中间贴片l1两侧的贴片的长度和宽度，l3、w3分别5个细贴片中位于最外侧两个贴片的长度和宽度，相邻两贴片之间的距离相等，记为g；记px、py分别为超表面单元在x、y方向的长度，也称周期；上、下层介质板的厚度分别记为h1和h2；其中，部分结构参数满足条件：px=py>l1>l2>l3，h1<h2，而l1, w1, l2, w2, l3, w3, g,h1以及h2的尺寸通过优化组合使得x、y极化下单元各模式的谐振频率、和以及、和交替级联且满足，为保证上述斜率相同且不失一般性，选取7个典型频率满足上述条件，即，，，，，，；第三步：抛物梯度模块与多位旋转抛物梯度数字超表面建模：首先确定多位旋转抛物梯度数字超表面的口径大小Lx×Ly，即超表面沿x、y方向的模块个数L、M，其满足：Lx=L*px≥6λ0，Ly=M*py≥6λ0，λ0为工作频率处的波长；然后基于计算机产生多位随机编码序列，通过寻根算法和调用各模块的VBA宏，在CST中建立多位旋转抛物梯度数字超表面结构。...

【技术特征摘要】
1.一种超宽带全极化全角度旋转抛物梯度电磁隐身超表面的设计方法，其中，全极化、全角度超宽带电磁隐身器件为有限尺寸的旋转抛物梯度N位数字超表面，其中N位数字超表面由L×M个周期完全相同但相位不同的种抛物梯度模块即子阵按照某种随机序列排列构成；所述抛物梯度模块可以由相同结构参数单元通过旋转不同角度来实现，也可以由不同结构参数单元实现，该情形下不同灰度模块代表不同相位；而不同灰度梯度模块有多种定义和表征，如不同灰度模块可以代表抛物梯度模块具有不同的焦距，也可以代抛物梯度模块具有不同的附加相位；N位数字超表面的电磁散射特性和信息由模块以及模块内基本单元的排列方式决定；其特征在于，设计的具体步骤如下：第一步：多位旋转抛物梯度数字超表面中各模块的拓扑结构与相位分布的设计：全极化、全角度旋转抛物梯度数字超表面设计的首要问题是如何设计多位抛物梯度模块，而多位抛物梯度模块设计包括设计、构建模块的拓扑结构与相位分布，具体过程为：在设计模块拓扑结构之前，首先需要确定模块的口径大小，即模块沿x、y方向的单元个数P、Q，即满足条件P≤7，Q≤7；每个模块包含5×5个基本单元；N位数字超表面模块的相位与编码之间关系满足，这里为编码序列，N为数字超表面的位数，与N满足关系，因此编码为的抛物梯度模块相位分布根据如下公式进行计算：(1)其中，p，m和n分别表示梯度模块中单元沿x，y轴的周期和位置信息，F表示焦距，φ(0,0)表示模块中心的相位，通过F、P与Q可以控制模块上的相位覆盖范围，这里以完整覆盖360°为设计目标，符号-/+分别对应发散/聚焦两种情形；其中0模块的设计标准是使得式（1）计算的相位变化范围刚好落在0°~360°，构建起始模块的相位分布后，其余模块的相位只需附加特定且大于360°的相位自动减去360°的整数倍即可；第二步：多位旋转抛物梯度数字超表面的超宽带单元结构设计：基于PB相位条件，与超宽带条件来设计超宽带单元结构，这里，、，和、分别表示反射辐射和相位，其中，下标x、y表示入射波的极化方向；采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带，假设x、y两极化下各模式的谐振频率分别为、和以及、和；由此，超宽带超表面单元结构设计如下：由三层金属结构和2层介质板组成；其中，上层金属结构由5个关于y轴镜像对称的垂直金属细贴片组成，中层金属结构由5个关于x轴镜像对称的水平金属细贴片组成，底层金属结构为金属背板，该拓扑结构保证该体系是一个纯反射特系，没有任何传输；上层金属结构在上层介质板上面，中层金属结构在上层介质板与下层介质板之间，底层金属结构在下层介质板背面；设l1、w1分别为5个细贴片中中间贴片的长度和宽度，l2、w2分别为5个细贴片中位于中间贴片l1两侧的贴片...

【专利技术属性】
技术研发人员：许河秀，罗伟杰，周磊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31