CN103490169B - 单层宽带随机表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层宽带随机表面，该随机表面包括介质基板(2),分别覆盖在该介质基板（2）上表面和下表面的风车型金属贴片1基本单元（1）和金属地板（3）；该金属地板（3）用于防止电磁波透射；所述基本单元（1）采用尺寸随机分布的单层双谐振单元构成，由位于单元中心的规则方形环和位于该方形环***的带枝节方形环构成。本发明可在X波段内有效地缩减二维金属目标体的RCS，而且制造简单、操作方便，和以前的多层方式相比具有绝对优势，在实际中具有很高的应用前景。

Description

单层宽带随机表面

技术领域

本发明涉及一种用于微波频段的单层宽带RCS（Radar Cross Section雷达散射截面）缩减表面，属于雷达隐身和新型人工电磁材料领域。

背景技术

本发明中涉及的新型人工电磁材料（Metamaterials）由一定规模的亚波长单元结构周期排列组成，通过人工设计其单元结构，可以控制材料的等效介电常数、磁导率、折射率、波阻抗等电磁参数，实现自然界存在的材料所不具有的性质。随着人们对新型人工电磁材料理论研究和应用开发的深入，它在雷达隐身领域的应用也引起了众多研究人员的兴趣。

雷达隐身的方法即是采用各种手段来减小目标的RCS。传统的减小雷达散射截面的方法主要有3种，分别是：外形设计、采用雷达吸波材料（Radar AbsorbingMaterial）、有源对消、无源对消等。RCS的缩减是一种折衷的研究，其优缺点相平衡。当目标表面被修整或重新取向以获得雷达散射截面缩减时，雷达截面在一个观察角上的减小通常伴随着在另一个观察角上的增加；使用雷达吸收材料，通过材料中能量的耗散，就可以得到雷达截面的缩减，而在其他方向上的RCS电平保持相对不变。另一方面，RAM的使用也是以增加目标重量、体积和表面维护问题为代价的，在实际应用中有诸多限制。单层宽带随机表面是基于随机散射理论，利用单层宽带多谐振结构，通过调节单元结构的尺寸参数，将电磁波入射至金属平板时产生的反射尖峰向空间各个方向辐射，空间各个方向的反射波呈现随机分布，使得金属平板的反射峰值大幅降低，达到对其隐身的目的。单层、宽带、对入射方向不敏感的随机表面，相比于传统材料不仅厚度大大降低，并且可以实现对入射波后向RCS的大幅缩减，易于通过利用不同尺寸、不同结构的谐振单元实现金属目标体的隐身，在隐身领域有很大的潜在应用价值。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于电磁波随机散射理论的单层宽带随机表面。这种随机表面可以通过来对单元尺寸参数的调整实现对单元谐振频率的微调，从而改变入射波的反射场相位，在较宽频带内将入射电磁波的反射场打散，使得反射场的后向RCS下降超过10dB，大大降低被敌方探测到的几率。随机表面具有厚度薄、重量轻、易于加工、成本低，对入射角度不敏感和隐身性能优良的优点，因此具有很高的实用价值。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种单层宽带随机表面，该随机表面包括介质基板,分别覆盖在该介质基板上表面和下表面的基本单元和金属地板；该金属地板用于防止电磁波透射；所述基本单元采用尺寸随机分布的单层双谐振单元构成，由位于单元中心的规则方形环和位于该方形环***的带枝节方形环构成。

优选的，基本单元,介质基板与金属地板共同构成单层雷达散射截面缩减表面。

优选的，基本单元为风车型金属贴片，边长a，介质基板厚度h，基本单元上所用金属环结构的线宽g，位于单元中心的规则方形环和位于该方形环***的带枝节方形环之间间隙d，上述参数具体如下：a=15mm，h=4mm，g=0.4mm，d=0.55mm；中心的规则方形环边长与外环枝节长均为L。

优选的，基本单元中心的规则方形环边长与外环枝节长均为L随机分布，造成反射波相位随机分布。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：

1.本发明结构简单，加工方便，成本低。传统的多谐振结构大多是利用多层堆叠技术来实现360°的移相范围以及拓展单元带宽，然而造价高，制造困难，各层之间的严格校直也较繁琐。相比之下，本发明使用的单层结构制作工序相对简单，只需要一步光刻过程，不仅节省造价，而且避免了多层结构对齐引发的加工误差。

2.本发明具有宽带特性。在8-12GHz频段内，使得二维金属板的后向RCS降低超过10dB。

3.本发明对大角度斜入射的电磁波也具有较好的随机散射效果。在实际应用中，复杂的电磁环境，斜入射波比正入射波更加普遍，因此本发明能良好的适应复杂的电磁环境。

4.本发明同时具备便携、容易集成等优点，且易于共形。比传统的吸波隐身材料更薄、更轻。

附图说明

图1a是单层宽带随机表面的单个单元结构正视图，

图1b是单层宽带随机表面的单个单元结构侧视图，

图1c是单层宽带随机表面的单个单元结构的尺寸标注图，

其中示出了本发明中的单元结构边长a，介质基板厚度h，金属线宽d，金属环带间隙g，内环边长与外环枝节长L可以调整。通过调整上述参数，可以控制风车单元内环，外环的谐振频率，以拓宽单元带宽，从而实现不同工作频率上的宽带相移；

图2是电磁波正入射且风车型单元取不同尺寸参数L的情况下，单元反射相位与频率的关系仿真结果。

图3是电磁波正入射且在10GHz时，风车型单元相位与尺寸参数L的关系。

图4是单层、宽带人工电磁隐身表面的正面示意图。

图5a为单层、宽带人工电磁隐身表面多角度入射的实验测试结果（TE波，单站）。

图5b为单层、宽带人工电磁隐身表面多角度入射的实验测试结果（TM波，单站）。

图6a为单层、宽带人工电磁隐身表面多角度入射的实验测试结果（TE波，双站）。

图6b为单层、宽带人工电磁隐身表面多角度入射的实验测试结果（TM波，双站）。

其中有：基本单元1；介质基板2；金属底板3；

风车型金属贴片

具体实施方式

本发明所提出的风车型单层宽带随机表面由尺寸随机的风车型单元阵构成，类似平面反射阵结构。

单层宽带随机表面是基于随机散射理论的人工电磁表面，其单元结构是由图1所示的风车型谐振单元以及金属背板组成，两层结构之间由介质基板隔开。风车型谐振单元由位于中心的一个规则方形环和位于***的带枝节方形环构成，是典型的双谐振结构单元，通过合理设计金属环带的宽度、环间缝隙大小以及介质基板的厚度，使风车型单元的内环和外环分别在接近的频点上产生谐振，从而实现双谐振达到拓宽单元带宽的目的。通过同时改变中心方形环和枝节的尺寸L使得电磁波在金属表面的反射波相位呈随机分布，形成漫反射，从而降低RCS即各个辐射单元产生的反射相位在360度一个周期呈现随机分布，将入射场很强的反射峰打散成一个随机的、杂乱无章的反射峰。

参见图1a-1c，单层宽带随机表面包括介质基板2,分别覆盖在该介质基板2上表面和下表面的基本单元1和金属地板3。该金属地板3用于防止电磁波透射。所述基本单元1采用尺寸随机分布的单层谐振单元组合或所述基本单元1由双谐振结构单元构成，由位于单元中心的规则方形环和位于该方形环***的带枝节方形环构成。直观地看，就是一个风车型结构。特点是单层双谐振结构就达到了覆盖整个X波段的宽带性能。在传统的实现方法中是需要多层结构的，这是本发明的一大重点。

基本单元1,介质基板2与金属地板3共同构成单层雷达散射截面缩减表面。

基本单元1边长a，介质基板2厚度h，基本单元1上所用金属环结构的线宽g，位于单元中心的规则方形环和位于该方形环***的带枝节方形环之间间隙d，上述参数具体如下：a=15mm，h=4mm，g=0.4mm，d=0.55mm；中心的规则方形环边长与外环枝节长均为L。

基本单元1中心的规则方形环边长与外环枝节长均为L随机分布，造成反射波相位随机分布。

基本单元1构成单层雷达散射截面缩减表面，将其覆于二维金属目标体表面，可在8-12GHZ内有效地缩减二维金属目标体的RCS。

风车型单元模型如图1所示，图1a为单元正视图，风车型辐射金属贴片刻蚀在单层接地介质基板2上；图1b为侧视图，介质基板2上下表面分别为风车型金属贴片1和金属地板3；图中符号1-3分别代表：风车型金属贴片单元、介质基板、金属平板。单元边长a，介质基板厚度h，金属线宽d，金属环带间隙g，内环边长与外环枝节长L可以调整，使得风车单元内环，外环的谐振频率接近，以拓宽单元带宽。

在图2中，和当L变化时，在8GHz到12GHz范围内，各条反射波相位的频率曲线大致平行，呈现一种梳状结构；不同L下S11相位具有相类似的频率响应，且能满足L在最大值和最小值变化时反射波相位差有近似360°的变化范围。这一特性说明了该贴片阵具有良好的宽带特性。

图3所示为以图2中10GHz处的相位为基准，拟合出的在该频点的反射系数相位和贴片尺寸L的曲线关系。从图中可以看出，两者近似成单调线性关系。由于反射系数相位和贴片单元的关系呈宽带特性，所以在8GHz-12GHz的频率范围内也具有相似的关系，和10GHz相比仅有相位差而已。

图4是单层、宽带人工电磁隐身表面的正面示意图。可以观察到该实施例是由20*20单元组成且单元贴片尺寸大小不一，其尺寸是由图3中的单调线性关系得到的，即在Matlab中随机生成一组0-360的相位随机数，根据图3中的函数关系将其转换为尺寸随机数，应用到贴片阵中。

图5与图6是电磁波入射覆盖了该隐身表面的二维金属平板后的RCS缩减图。结果显示，在8-12GHz，在单站情况下，电磁波正入射以及斜入射（0°,5°,10°,15°）时，覆盖了该发明的金属平板RCS下降超过10dB。在8-13GHz，双站情况下，电磁波正入射以及斜入射（0°,15°,30°,45°），覆盖了该发明的金属平板RCS下降超过10dB。

此外，本发明在对大角度入射波的镜像反射波也具有有良好的RCS下降效果。此特点使得其在实际应用下有更大的发展前景。

以上描述和解释了本发明的主要特征、基本原理和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，例如技术人员可以对上述各种参数进行修改以使其工作在其他波段，或者修改相关参数以使其结构、性能与本实施例有所不同，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。

Claims (1)

1.一种单层宽带随机表面，其特征在于，该随机表面包括介质基板(2),分别覆盖在该介质基板(2)上表面及下表面的基本单元(1)和金属地板(3)；该金属地板(3)用于防止电磁波透射；所述基本单元(1)采用尺寸随机分布的单层双谐振单元构成，由位于单元中心的规则方形环和位于该方形环***的带枝节方形环构成；

基本单元(1),介质基板(2)与金属地板(3)共同构成单层雷达散射截面缩减表面；

基本单元(1)中心的规则方形环边长与外环枝节长均为L随机分布，造成反射波相位随机分布；

基本单元(1)为风车型金属贴片，边长a，介质基板(2)厚度h，基本单元(1)上所用金属环结构的线宽g，位于单元中心的规则方形环和位于该方形环***的带枝节方形环之间间隙d，参数具体如下：a＝15mm，h＝4mm，g＝0.4mm，d＝0.55mm；中心的规则方形环边长与外环枝节长均为L。