CN108777367A - 一种x波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列。该超表面阵列由多个相位梯度超表面单元组成，每个超表面单元包括一块介质基板，介质基板正面设置一个金属圆环和一个正方形金属贴片，背面涂有一层金属衬底；正面的金属圆环和金属贴片与背面的金属衬底耦合产生磁谐振，通过改变金属贴片的尺寸实现对反射波相位的调控，当相位覆盖2π范围时，设计相位梯度，将单元排列成阵，即可得二维反射相位梯度超表面，实现对电磁波反射方向的调控。本发明通过重建散射体的散射场，可以将平面伪装成曲面，斜面伪装成平面，曲面伪装成平面，实现任意的电磁伪装。

Description

一种X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列

技术领域

本发明涉及电磁伪装领域，特别是一种X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列。

背景技术

雷达探测的隐身与反隐身一直是研究的难点与热点之一。通过在军用目标上涂覆吸波隐形材料，降低目标的雷达散射截面积，是传统有效的电磁隐身设计手段。但是吸波隐形材料的厚度与雷达的工作频率有关，在低频时，材料的吸波性能会显著降低。

电磁超材料利用传统的变换光学理论，可以形成隐身斗篷，微波频段已经实现了三维超材料的电磁隐身。但是现有三维隐身斗篷电磁超材料具有非均匀性和各向异性，具有难于制备、损耗高、工作带宽窄等缺点，不能满足工程的需求。电磁超表面在缩减雷达散射截面积，实现电磁隐身方面做了大量的研究，但是隐身效果严重依赖于入射电磁波极化和角度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够将平面伪装成曲面，斜面伪装成平面，曲面伪装成平面的X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，以实现任意的电磁伪装。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，由多个相位梯度超表面单元组成阵列结构，每个相位梯度超表面单元包括一块介质基板，介质基板正面设置一个金属圆环和一个正方形金属贴片，背面涂有一层金属衬底；正面的金属圆环和金属贴片与背面的金属衬底耦合产生磁谐振，通过改变金属贴片的尺寸实现对反射波相位的调控。

作为一种优选方案，所述相位梯度超表面单元中的金属圆环的外径为r，宽度为0.2mm，正方形金属贴片的边长a与金属圆环的外径r满足关系式通过改变圆形金属环贴片的外径来调整反射波的相位。

作为一种优选方案，所述相位梯度超表面单元中的介质基板为相对介电常数ε_r为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板，边长L为8mm，厚度为2mm。

作为一种优选方案，所述由多个相位梯度超表面单元组成阵列结构为1×30或1×60阵列，相邻相位梯度超表面单元的中心间距为8mm。

作为一种优选方案，物体上的隐身超表面的反射相位的梯度分布，根据以下公式确定：

其中分别是隐身超表面的相位梯度和虚拟对象的形状，(x,y)为超表面对应的坐标；k₀是自由空间的波矢量、θ是入射电磁波的角度。

作为一种优选方案，伪装超表面的反射相位的梯度分布，根据以下公式确定：

其中z₀(x,y)分别是伪装超表面的相位梯度、虚拟对象的反射相位和虚拟对象的形状，(x,y)为超表面对应的坐标；k₀是自由空间的波矢量、θ是入射电磁波的角度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用亚波长尺度的超表面单元，体积小、结构简单，便于进行批量生产，成本低；(2)结构完全对称的超表面单元具有良好的极化不敏感性能，能够实现任意的电磁伪装，将平面伪装为任意曲面，将斜面伪装为平面，将曲面伪装为平面；(3)入射波来自相对宽的角度范围时，可以将伪装超构表面自身伪装成任意的物体，实用性强，对电磁伪装设备的设计与生产提供了新的思路。

附图说明

图1是本发明中的相位梯度极化不敏感超表面单元的结构示意图，其中(a)为单元结构俯视图，(b)为单元结构侧视图。

图2是本发明实施例中平面电磁伪装超表面阵列的RCS图与虚拟结构的RCS图。

图3是本发明实施例中简单斜面电磁伪装超表面阵列的RCS图与平面的RCS图。

图4是本发明实施例中平顶斜面电磁伪装超表面阵列的RCS图与平面的RCS图，。

图5是本发明实施例中曲面电磁伪装超表面阵列的RCS图与平面的RCS图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

结合图1(a)～(b)，本发明X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，该超表面阵列由多个相位梯度超表面单元组成阵列结构，每个相位梯度超表面单元包括一块介质基板3，介质基板3正面设置一个金属圆环2和一个正方形金属贴片1，背面涂有一层金属衬底4；正面的金属圆环2和金属贴片1与背面的金属衬底4耦合产生磁谐振，通过改变金属贴片1的尺寸实现对反射波相位的调控。当相位覆盖2π范围时，设计合理的相位梯度，将单元排列成阵列，即可得到能对电磁波反射方向进行调控的二维反射相位梯度超表面。该伪装超表面通过重建散射体的散射场，可以将平面伪装成曲面，斜面伪装成平面，曲面伪装城平面，实现任意的电磁伪装。

作为一种优选方案，所述相位梯度超表面单元中的金属圆环2的外径为r，宽度为0.2mm，正方形金属贴片1的边长a与金属圆环2的外径r满足关系式通过改变圆形金属环贴片2的外径来调整反射波的相位。

作为一种优选方案，所述相位梯度超表面单元中的介质基板为相对介电常数ε_r为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板，边长为8mm，厚度为2mm。

作为一种优选方案，所述由多个相位梯度超表面单元组成阵列结构为1×30或1×60阵列，相邻相位梯度超表面单元的中心间距为8mm。

作为一种优选方案，为了使反射波看起来像是从平坦的金属表面散射的，物体上的隐身超表面的反射相位的梯度分布，根据以下公式确定：

其中分别是隐身超表面的相位梯度和虚拟对象的形状，(x,y)为超表面对应的坐标；k₀是自由空间的波矢量、θ是入射电磁波的角度。

进一步地，为了使超表面的反射波看起来像是从任意的虚拟物体中散射出来的，伪装超表面的反射相位的梯度分布，根据以下公式确定：

其中z₀(x,y)分别是伪装超表面的相位梯度、虚拟对象的反射相位和虚拟对象的形状，(x,y)为超表面对应的坐标；k₀是自由空间的波矢量、θ是入射电磁波的角度。

本发明X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列的参数设计过程如下：

(一)优化相位梯度超表面单元结构，根据电磁伪装的工作频段10Ghz来确定金属圆环的外径r与正方形金属片的边长a的关系式，以及超表面单元介质基板的厚度h；

(二)调整介质板的厚度h，使其反射相位的变化范围能覆盖2π，反射系数大于0.8；

(三)调整介质板的边长L，使其反射相位的变化范围能覆盖2π，反射系数大于0.8。

实施例1

结合图1，根据本发明X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列的单元结构，设计了一个1×30结构的平面电磁伪装超表面阵列：工作频率为10GHz，平面电磁伪装超表面单元共有三层，由下到上分别是：金属衬底4、介质基板3、金属圆环2和正方形金属贴片1；其中介质基板3为相对介电常数ε_r为4.4FR-4环氧玻璃布层压板，边长为8mm，厚度为2mm；金属圆环2的外径为r，宽度为0.2mm；正方形金属贴片1的边长a与金属圆环2的外径r满足关系式

图2是本发明实施例中在Phi＝90deg时平面电磁伪装超表面阵列的RCS图与虚拟结构的RCS图。可以看出，想要虚拟的sin曲面与平面伪装超表面的远场RCS相近，从而证实了平面伪装超表面的电磁伪装性能。另外，由于所使用的超表面单元是完全对称的结构，该超表面阵列具有极化不敏感的性能。

图3是本发明实施例中在Phi＝90deg时简单斜面电磁伪装超表面阵列的RCS图与平面的RCS图。可以看出，斜面伪装超表面反射的电磁波RCS与平面波的RCS相近，从而证实了平面伪装超表面的电磁伪装性能。另外，由于所使用的超表面单元是完全对称的结构，该超表面阵列具有极化不敏感的性能。

图4是本发明实施例中在Phi＝90deg时1×60平顶斜面电磁伪装超表面阵列的RCS图与平面的RCS图。可以看出，想要虚拟的简单平面与平顶斜面伪装超表面的远场RCS相近，从而证实了平顶斜面伪装超表面的电磁伪装性能。另外，由于所使用的超表面单元是完全对称的结构，该超表面阵列具有极化不敏感的性能。

图5是本发明实施例中在Phi＝90deg时1×30曲面电磁伪装超表面阵列的RCS图与平面的RCS图。可以看出，想要虚拟的简单平面与曲面伪装超表面的远场RCS相近，从而证实了曲面伪装超表面的电磁伪装性能。另外，由于所使用的超表面单元是完全对称的结构，该超表面阵列具有极化不敏感的能力。

综上所述，本发明X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，能够实现任意的电磁伪装。通过使用极化不敏感亚波长超表面单元，可以在亚波长尺度上局部调整超表面的散射场，重建任意的散射场，达到电磁伪装的目的。通过比较虚拟结构的散射场及其相应的伪装超表面，对所提出的电磁伪装方法进行了实验验证。所提出的伪装超表面单元的相位补偿在相对较宽的入射角度范围内能很好地工作，具有很强的实用性，不仅可以适用于平面，还可以应用到斜面以及曲面进行伪装。超表面结构简单而且容易制作，且有好的任意塑造性，是电磁伪装应用的一个很好的选择。

Claims (6)

1.一种X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，其特征在于，由多个相位梯度超表面单元组成阵列结构，每个相位梯度超表面单元包括一块介质基板(3)，介质基板(3)正面设置一个金属圆环(2)和一个正方形金属贴片(1)，背面涂有一层金属衬底(4)；正面的金属圆环(2)和金属贴片(1)与背面的金属衬底(4)耦合产生磁谐振，通过改变金属贴片(1)的尺寸实现对反射波相位的调控。

2.根据权利要求1所述的X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，其特征在于，所述相位梯度超表面单元中的金属圆环(2)的外径为r，宽度为0.2mm，正方形金属贴片(1)的边长a与金属圆环(2)的外径r满足关系式通过改变圆形金属环贴片(2)的外径来调整反射波的相位。

3.根据权利要求1或2所述的X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，其特征在于，所述相位梯度超表面单元中的介质基板(3)为相对介电常数ε_r为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板，边长L为8mm，厚度为2mm。

4.根据权利要求1或2所述的X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，其特征在于，所述由多个相位梯度超表面单元组成阵列结构为1×30或1×60阵列，相邻相位梯度超表面单元的中心间距为8mm。

5.根据权利要求2所述的X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，其特征在于，物体上的隐身超表面的反射相位的梯度分布，根据以下公式确定：

其中z₀(x,y)分别是隐身超表面的相位梯度和虚拟对象的形状，(x,y)为超表面对应的坐标；k₀是自由空间的波矢量、θ是入射电磁波的角度。

6.根据权利要求2所述的X波段极化不敏感电磁伪装超表面阵列，其特征在于，伪装超表面的反射相位的梯度分布，根据以下公式确定：

其中z₀(x,y)分别是伪装超表面的相位梯度、虚拟对象的反射相位和虚拟对象的形状，(x,y)为超表面对应的坐标；k₀是自由空间的波矢量、θ是入射电磁波的角度。