【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超表面设计，具体为宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面。
技术介绍
1、超表面是一种具有亚波长结构的材料，能够通过微观的结构设计操控电磁波电磁（em）波的振幅、相位和极化。由于其体积小、损耗低、制造简单和奇异的电磁特性，超表面引起了巨大的兴趣，并在从微波到可见光的各个领域展现出多样化的应用，例如无色差透镜、涡旋波束发生器、表面波耦合器、超全息图等。其中基于超表面的雷达隐身技术更是受到各国科学家的青睐，一系列具有强大吸收率的多功能超表面吸收器设计出来，研究者通过优化其在特定频带和固定角度下的性能，许多电磁吸波器已经能够在正入射下达到强的宽带吸收。
2、现有的超表面隐身设计方案多基于平面超表面实现，对于具有曲面特征的目标多采用平面超表面结构拼接装配的方式实现，不可避免的存在棱边几何特征，超表面与曲面目标适配度低，很难与任意形状目标进行共形，不仅降低了隐身效果，而且不能应用于气动布局要求严格的飞行目标；此外，许多设计方案中，正入射角是评价其性能的重要指标，但在实际应用中大多为斜入射角，传统平面超表面隐身设计方案往往面临频带窄、角度依赖性强等问题；更重要的是，曲面目标电磁波散射特性动态调节过程中，不同曲率带来的频率和角度的耦合效应使得设计变得更加复杂，这些局限性严重制约了超表面技术在隐身技术和通信领域的推广应用。
技术实现思路
1、本专利技术提供了宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，解决了上述
技术介绍
所提出的问题。
2、为实现
3、可选的，所述超表面结构单元的周期设置为p=10mm。
4、可选的，所述金属结构层和金属背板层的材质均为铜，且厚度均设置为0.018mm，所述金属结构层与金属背板层上的圆形通孔的直径设置为s＝1mm。
5、可选的，所述金属结构层由左右两块矩形结构组成，左右两块所述矩形结构中间集成有pin二极管，每个结构单元的所述pin二极管均设置等效电路。
6、可选的，所述金属结构层的左侧矩形金属结构的宽度设置为a=3.7mm，长度设置为b=9mm，所述金属结构层的右侧矩形金属结构的宽度设置为c=3.7mm，长度设置为d=10mm，所述金属结构层的右侧矩形金属结构与所述金属结构层的左侧矩形金属结构之间的间隙设置为f=0.6mm。
7、可选的，所述金属结构层的pin二极管设置为smp1321-040lf，且连接pin二极管的两侧金属结构宽度设置为aa=0.2mm，长度设置为bb=0.8mm，所述pin二极管的左右两侧的金属结构对应设置。
8、可选的，所述pin二极管的等效电路是一个固定电容和一个可变电阻的并联，所述固定电容设置为c=0.15pf，所述可变电阻设置为r=1-10000ω，所述可变电阻的电阻值可由偏置电压控制。
9、可选的，所述f4b介质基板设置为厚度0.1mm的f4b柔性介质基板，且f4b的相对介电常数设置为2.67，损耗角正切设置为0.001，所述abs介质层为厚度设置为2.5mm的树脂介质，且相对介电常数设置为2.65，损耗角正切设置为0.005。
10、所述的宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，包括以下操作步骤：
11、s1、结构单元阻抗匹配
12、当电磁波从自由空间入射到共形有源超表面单元上时，部分电磁波被反射回自由空间中形成反射波，而进入到单元内部的电磁波则以透射波的形式继续传播或由于损耗转换为其他形式的能量，所以单元对电磁波的吸收率a（ω）可表示为：
13、（1）
14、式中，ω为入射波的角频率，r（ω）和s11分别为反射率和反射幅值，t（ω）和s21分别为透射率和透射幅值。而具有金属背板的反射型单元可消除电磁波的透射，因而其对电磁波的吸收率a（ω）可表示为：
15、（2）
16、其中，单元的反射幅值s11还可写作：
17、（3）
18、利用反射系数s11和透射系数s21，计算出有效阻抗
19、（4）
20、式中，zin为单元的输入阻抗，z0为自由空间的波阻抗。当单元满足阻抗匹配关系zin=z0时，其反射率为0、吸收率最大，而当单元不满足阻抗匹配关系时，其反射率变大、吸收率变小。
21、s2、曲面分区域调控设计
22、当电磁波斜入射到介质表面发生反射或折射时，其极化特性不会发生改变，但在斜入射情况下，入射波的角度对阻抗匹配的影响显著，在不同的极化模式下，随着斜入射角度的变化，该模式的自由空间波阻抗会发生变化，由矢量传输线方程能够推导出不同斜入射角度下tm极化的波阻抗表达式：
23、（5）
24、其中是自由空间的特性阻抗，约为377ω。随着斜入射角度的变化，tm模式下的波阻抗随入射角增大而减小，因此在设计斜入射吸波结构时，需要根据入射波角度进行优化设计。
25、s3、可重构超表面设计与仿真
26、根据上述宽频域宽角域动态可调曲面共形有源超表面结构单元的设计和分析，构建了一个20×20个结构单元组成的有源超表面，其每一列控制电阻可动态调整，按照理论计算的数值进行精确建模，其中曲面的弧长设置为200mm，圆心角设置为114°。
27、s4、实验操作
28、首先，设置与仿真模型具有相同曲率的测量样品，且样品的规格设置为256mm×200mm，测量样品与仿真模型相比多设计56mm区域主要用于排布控制电路，采用3d打印与低成本印刷电路板pcb技术相结合的方法加工制作曲面共形有源超表面，顶层结构层采用pcb技术加工在f4b超薄柔性介质上，f4b厚度设置为0.1mm，然后，采用3d打印技术加工中间厚度设置为2.5mm的abs树脂介质板，中间通孔技术采用铜质导线导通，随后，将以上各部分胶装起来，最后，对组装后的样品进行实验验证，其中，实验装置包括时域rcs测试分析系统、线极化lp喇叭天线、fpga和转台支架。
29、本专利技术具备以下有益效果：
30、1、该宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，通过理论分析、仿真计算，设计了一种对入射角和形变具有鲁棒性的有源超表面结构单元，并采用3d打印与pcb技术相结合的创新方法，完成曲面共形有源超表面加工制作，拓宽了曲面共形超表面设计方法。
31、2、该宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，针对曲面目标的复杂性，通过采用了分区域控制策略，精确调控不同区域pin二极管偏置电压，实现了对不同入射角的电磁波的阻抗匹配，一系列仿真计算及实验测试结果共同证实了提出的可重构超表面的有效性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述超表面结构单元由上至下依次设置为金属结构层、F4B介质基板、ABS介质层、金属背板层，所述金属结构层和金属背板层中间通过圆形通孔技术连接，用于形成可调谐的电磁谐振结构。
2.根据权利要求1所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述超表面结构单元的周期设置为p=10mm。
3.根据权利要求1所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述金属结构层和金属背板层的材质均为铜，且厚度均设置为0.018mm，所述金属结构层与金属背板层上的圆形通孔的直径设置为s＝1mm。
4.根据权利要求3所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述金属结构层由左右两块矩形结构组成，左右两块所述矩形结构中间集成有PIN二极管，每个结构单元的所述PIN二极管均设置等效电路。
5.根据权利要求4所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述金属结构层的左侧矩形金属结构的宽度设置为a=3.
6.根据权利要求4所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述金属结构层的PIN二极管设置为SMP1321-040LF，且连接PIN二极管的两侧金属结构宽度设置为aa=0.2mm，长度设置为bb=0.8mm，所述PIN二极管的左右两侧的金属结构对应设置。
7.根据权利要求6所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述PIN二极管的等效电路是一个固定电容和一个可变电阻的并联，所述固定电容设置为C=0.15pF，所述可变电阻设置为R=1-10000Ω，所述可变电阻的电阻值可由偏置电压控制。
8.根据权利要求1所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述F4B介质基板设置为厚度0.1mm的F4B柔性介质基板，且F4B的相对介电常数设置为2.67，损耗角正切设置为0.001，所述ABS介质层为厚度设置为2.5mm的树脂介质，且相对介电常数设置为2.65，损耗角正切设置为0.005。
9.根据权利要求1-8所述的宽频域宽角域RCS连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于，包括以下操作步骤：
...【技术特征摘要】
1.宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述超表面结构单元由上至下依次设置为金属结构层、f4b介质基板、abs介质层、金属背板层，所述金属结构层和金属背板层中间通过圆形通孔技术连接，用于形成可调谐的电磁谐振结构。
2.根据权利要求1所述的宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述超表面结构单元的周期设置为p=10mm。
3.根据权利要求1所述的宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述金属结构层和金属背板层的材质均为铜，且厚度均设置为0.018mm，所述金属结构层与金属背板层上的圆形通孔的直径设置为s＝1mm。
4.根据权利要求3所述的宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述金属结构层由左右两块矩形结构组成，左右两块所述矩形结构中间集成有pin二极管，每个结构单元的所述pin二极管均设置等效电路。
5.根据权利要求4所述的宽频域宽角域rcs连续动态可调曲面共形有源超表面，其特征在于：所述金属结构层的左侧矩形金属结构的宽度设置为a=3.7mm，长度设置为b=9mm，所述金属结构层的右侧矩形金属结构的宽度设置为c=3.7mm，长度设置为d=10mm，所述金属结...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪刘应，陈海青，刘同豪，王东姝，陈孟州，刘顾，葛超群，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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