CN112216993B

CN112216993B - 一种超薄超宽带的棋盘结构rcs缩减超表面

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Publication number: CN112216993B
Application number: CN202011010696.8A
Authority: CN
Inventors: 张丽; 代灵鹭; 翁小龙; 张敏; 殷举航; 文静; 张文婷; 沈涛; 邓龙江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2040-09-23
Also published as: CN112216993A

Abstract

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面。本发明基于人工磁导体AMC结构，通过两种超表面基本单元复合结构的顶层金属图形的设计以及进一步的材料和尺寸的选择，将基本单元0和1进行阵列排布构成超级单元0和1后，将两种超级单元按照棋盘结构设计获得。在8‑12GHz波段，使其相位差能在较宽的频段内满足RCS缩减需求，且适用于高温环境。本发明超表面厚度较薄，介质厚度为2.3mm，整体超表面厚度为2.37mm，相比于现有技术减少了0.7mm；频带宽，缩减效果好，10dB以上的带宽可达3GHz，相对带宽可达26.9％，在8‑12GHz工作时，最大的RCS缩减值为25dB；解决了超表面在保证带宽的同时降低超表面的厚度以及可应用于高温环境的技术问题。

Description

一种超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种超薄超宽带的棋盘结构RCS(雷达散射截面，Radar Cross Section)缩减超表面。

背景技术

超表面是按照一定的排列组合而成的人工复合结构。与自然界所存在传统材料不同的是，超表面可以通过调整结构的参数从而达到对材料自身的电磁参数进行一定的调控，其主要原理是靠引入相位突变来改变电磁波的传播性质。

由于超表面仅考虑二维，因此超表面具有厚度薄，重量轻等特点，此外，超表面设计比较灵活，能够调节作用的频段。通过调节超表面材料和尺寸结构等方法，可以将超表面的工作频段扩宽到太赫兹和光波波段。对于超表面的应用，目前国际上已经发现的有：负折射率、隐身斗篷、逆多普勒现象、超吸收等。然而超表面的缺点同样明显，即由于超表面的工作机理主要是基于电磁谐振，因此当电磁波频率与谐振点产生偏离时，超表面无法满足阻抗匹配的条件，导致工作带宽非常窄。

人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)结构降低目标RCS的工作机理是构成棋盘结构的理想电导体(Perfect Electric Conductor，PEC)单元与AMC单元形成相位差，导致反射波之间产生干涉相互抵消。利用AMC单元与PEC单元的相位差为180°的特性，提出将AMC单元与PEC单元交替排布组成棋盘结构，使得垂直入射方向的反射电磁波相互抵消，达到了RCS减缩的目的。但是，基于AMC与PEC的超表面作用带宽都比较窄。现有的超表面的设计图形通常为同一图案，同一图案的超表面难以达到相位差要求。目前的研究中，虽然可以到达8.6dBRCS缩减的相对带宽为32％，但其厚度为3mm及以上，且通常使用的介质材料为FR-4，并不能在高温条件下使用。

基于以上叙述可见，如何在保证带宽的同时降低超表面的厚度成为了当前超表面急需解决的问题。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有超表面在保证带宽的同时降低超表面的厚度以及可应用于高温环境的技术问题；本发明提供了一种超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面，基于ZrO₂考虑设计两种AMC结构进行复合，从而扩宽作用带宽，根据相位相消原理，设计新的超表面图形，使两种超表面基本单元的相位差在8-12GHz满足180°±37°，从而实现相对带宽为26.9％的10dB以上的RCS缩减，且适用于高温环境。

具体技术方案如下：

一种超薄超宽带的棋盘结构RCS(雷达散射截面,Radar Cross Section)缩减超表面，由底板金属层、中间介质层和顶层图形单元构成。

所述顶层图形单元包括两种基本单元，分别为0和1，均是在边长为a的正方形居中设置图形，然后以边长为a的正方形为基准将两种基本单元排布而成；基本单元0的图形是一个圆形，基本单元1的图形是将边长为b的正方形以其中心点顺时针旋转45°后将旋转前后的两个正方形重叠部分去除后的类花瓣形图案；将相同的基本单元0和1按照≥3X3的相同组合分别设置成超级单元0和1阵列，然后将超级单元0和1按照棋盘的方式排布构成整个超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面，以达到降低RCS的目的。两种超级单元0和1相位差满足180°±37°，反射波进行相互抵消。

根据棋盘结构的设计原则，两种超级单元的反射幅度相同，反射相位差应为π，以尽可能减小RCS，但在实际应用中，RCS缩减的要求为10dB以上即可认为超表面满足设计需要，因此两种结构的相位差在180°±37°。

一种超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面，其设计原理是基于两种超表面结构的反射幅度相同，两者相位差为π，两者的反射电磁波相互抵消，以达到缩减RCS的效果。

进一步的，所述底板金属层使用金属材料为金，熔点为1064℃，介质材料为二氧化锆，熔点约为2700℃，能够在高达1000℃的高温时，依然保持超表面特性，使其适用于高温环境。

本发明基于人工磁导体(AMC)结构，通过两种超表面基本单元复合结构的顶层金属图形的设计以及进一步的材料和尺寸的选择，将基本单元0和1进行阵列排布构成超级单元0和1后，将两种超级单元按照棋盘结构设计获得。在8-12GHz波段，使其相位差能在较宽的频段内满足RCS缩减需求，且适用于高温环境。本发明超表面厚度较薄，介质厚度为2.3mm，整体超表面厚度为2.37mm，相比于现有技术减少了0.7mm；频带宽，缩减效果好，10dB以上的带宽可达3GHz，相对带宽可达26.9％，在8-12GHz工作时，最大的RCS缩减值为25dB；解决了超表面在保证带宽的同时降低超表面的厚度以及可应用于高温环境的技术问题。

附图说明

图1是实施例一“0”单元的立体结构图。

图2是实施例一“1”单元的立体结构图。

图3是实施例一的两个单元的反射幅度曲线图。

图4是实施例一的两个单元的反射相位曲线图。

图5是本发明的超表面超级单元结构示意图。

图6是本发明的超表面超级单元棋盘结构示意图。

图7是TE波与TM波垂直入射的RCS曲线图。

图8是TE波与TM波垂直入射的RCS缩减曲线图。

图9是实施例二在不同频率下的超表面的RCS与同尺寸的金属板RCS二维方向图：(a)8GHz时同尺寸金属板的RCS二维方向图；(b)8GHz时超表面的RCS二维方向图；(c)10.7GHz时同尺寸金属板的RCS二维方向图；(d)10.7GHz时超表面的RCS二维方向图；(e)12GHz时同尺寸金属板的RCS二维方向图；(f)12GHz时超表面的RCS二维方向图。

图10是不同频率下的超表面RCS三维散射图：(a)8GHz时超表面的RCS三维散射图；(b)10.7GHz时超表面的RCS三维散射图；(c)12GHz时超表面的RCS三维散射图。

图11是不同入射角度的镜像方向上的RCS曲线图。

图12是不同入射角度的镜像方向上的RCS缩减曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：

如图1所示，超表面的基本单元0由底层的金属板、中间的介质层以及最上层的人工表面电磁结构所组成；在边长为a的正方形居中设置半径R的圆形人工表面电磁结构，其材质为金。

如图2所示，超表面的基本单元1由底层的金属板、中间的介质层以及最上层的人工表面电磁结构所组成；基本单元1的图形是将边长为b的正方形以其中心点顺时针旋转45°后将旋转前后的两个正方形重叠部分去除后的类花瓣形图案；其金属底板与介质层的材料、几何参数与图1中相同。

根据棋盘结构的设计原则，两种单元的反射幅度相同，反射相位差应为π，以尽可能减小RCS，但在实际应用中，RCS缩减的要求为10dB以上即可认为超表面满足设计需要，因此，两种结构的相位差在180°±37°。

在本实施例中，基本单元边长a＝7.5mm，底板与人工表面电磁结构所使用材料为金，电导率为4.561X10^7S/m，其厚度t＝0.035mm，中间层介质为ZrO₂，介电常数ε_r＝9.6，正切损耗tgδ＝0.001，介质厚度d＝2.3mm，基本单元0和1的图形位于介质表面中心。基本单元0表面的圆形半径R＝0.5mm，如图1所示。单元1由边长b＝3.5mm的正方形旋转45°，去除与原正方形重合部分所得到，其中夹角α＝135°，如图2所示。利用电磁仿真软件(CST studio)建立模拟模型，得到图3所示的反射幅度与图4所示的反射相位及相位差结果，两种单元的反射幅度在8-12GHz相同，其相位差在8-11.5GHz满足设计需求。

为了实现更好的散射效果，将相同的基本单元(0或者1单元)组成一个维度为5x5的超级单元，如图5所示。因为两个基本单元满足相位差要求，所以由基本单元组成的超级单元也满足相位差要求。将所形成的超级单元按照“0101…/1010…”的顺序进行排列，形成一个6行6列的阵列，整个超表面结构尺寸为225mmX225mm,，如图6所示。

由于本发明的图案设计都为中心对称图案且位于整个结构中心，因此，本发明对于TE波与TM波并不敏感。通过电磁仿真软件可以得到如图7所示的单站RCS结果，与同尺寸的金属板相比，可得到如图8所示的单站RCS缩减结果，可以发现，8-9GHz部分频点满足10dB的缩减要求，9-11.8GHz基本满足10dB的缩减要求，在10.7GHz的频率下，更是达到了25dB的缩减量。

在仿真软件中，设置不同频率下的场监视器，得到不同频率下的RCS三维散射方向图，图9图10为8GHz、10.7GHz、12GHz下的超表面方向图，并将其与同尺寸金属板的结果对比。在二维方向图中，金属板在垂直方向出现明显的主瓣，能量较为集中，而8GHz、10.7GHz、12GHz频率下的超表面明显出现了旁瓣，将垂直方向的能量降低，已达到减小RCS的目的。其中，10.7GHz的旁瓣更为明显，垂直方向上的能量更少，使得在此频点达到最大缩减量25dB。

根据实施例，对超表面斜入射的RCS缩减情况进行探究。在入射波为TM波的情况下，入射角度从0°变化至60°，使用电磁仿真软件在镜像方向进行RCS测量，得到如图11所示的结果，与同尺寸的金属板对比，得到图12的RCS缩减量，证明了超表面在斜入射时，依然基本能够在宽频范围内保持10dB以上的RCS缩减，进一步证明了本发明的可靠性。

本发明超表面厚度较薄，介质厚度为d＝2.3mm，整体超表面厚度为2.37mm，相比于现有技术减少了0.7mm。频带宽，缩减效果好。10dB以上的带宽可达3GHz，相对带宽可达26.9％，本发明在8-12GHz工作时，最大的RCS缩减值为25dB。并且底板金属层使用金，熔点为1064℃，介质材料为二氧化锆，熔点约为2700℃，能够在高达1000℃的高温时，依然保持超表面特性，使其适用于高温环境。

Claims

1.一种超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面，由底板金属层、中间介质层和顶层图形单元构成，其特征在于：

所述顶层图形单元包括两种基本单元，分别为基本单元0和基本单元1，均是在边长为a的正方形居中设置图形，然后以边长为a的正方形为基准将两种基本单元排布而成；

基本单元0的图形是一个圆形，基本单元1的图形是将边长为b的正方形以其中心点顺时针旋转45°后将旋转前后的两个正方形重叠部分去除后的类花瓣形图案；

将相同的基本单元0和1按照≥3×3的相同组合分别设置成超级单元0和1，然后将由超级单元0和1按照棋盘的方式排布构成整个超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面；两种超级单元0和1相位差满足180°±37°。

2.如权利要求1所述超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面，其特征在于：所述底板金属层使用金属材料为金，厚度t＝0.035mm；介质材料为二氧化锆，厚度d＝2.3mm；整体超表面厚度为2.37mm。

3.如权利要求1所述超薄超宽带的棋盘结构RCS缩减超表面，其特征在于：所述a＝7.5mm，基本单元0的圆形半径R＝0.5mm，基本单元1由边长b＝3.5mm的正方形旋转45°得到。