CN113745845B - 一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可以有效抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列及其设计方法，由电磁各向异性的单元结构组成，单元结构包括电阻薄膜结构层、中间介质层以及金属背板层。电阻薄膜结构层采用十字形结构，通过调整十字形结构的臂长和宽度以及薄膜电阻的表面电阻，可以有效的调控单元的反射率曲线和时域溅射效应的持续时间及最大值。该超表面不仅在频域上具有低散射特性，同时在时域上具有抑制时域溅射效应的功能。因此，该超表面在频域和时域上都具有隐身功能。

Description

一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列及其设计方法
技术领域
本发明属于电磁隐身领域，尤其涉及一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列及其设计方法。
背景技术
随着现代无线电技术和雷达探测技术的发展，传统的作战武器受到了越来越多的威胁。为了提高武器***的生存，突防等能力，隐身技术成为了现代科技的研究热点。隐身技术是通过研究利用各种不同的技术手段来改变己方目标的可探测性信息特征，从而实现隐身的一种技术。
目前针对传统的频域探测方法，已有许多隐身技术被提出，例如：外形设计技术、新型材料技术、对消技术等。通过这些隐身技术，可以在一定频段范围内降低目标的散射波。由于目标在频域上的低散射频段是有限的，因此从时域上看该目标未必具有低散射特性。2015年，王均宏教授课题组对带EBG的周期性结构的时频散射特性进行了研究。该研究表明带EBG的周期性结构在一定频域范围内具有很低的后向散射。然而当入射波为单频(频率在该结构的工作频带内)正弦波时，散射波起始端的幅值很大，即该结构具有较强的时域溅射效应。
利用傅里叶变换对时域溅射效应进行分析，其结果表明：通过增大散射体的低散射带宽可以有效的缩短时域溅射效应的持续的时间；而在一定频率范围内抑制散射体的带外反射率可以有效的降低溅射效应的最大值。本发明根据以上结论，利用超材料对电磁波的强大调控能力，设计了一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面。该超表面在频域和时域上都具有隐身功能。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于解决传统低散射材料在正弦波入射下会产生的溅射现象的问题。
技术方案：本发明公开了一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，所述超表面阵列包括超表面单元，超表面单元从上至下依次包括十字形电阻薄膜、介质层和金属背板层。
所述十字形电阻薄膜为中心对称结构，包括呈十字交叉的横边和竖边，横边和竖边的宽度l1相同，竖边的一端到横边的距离为w1，横边和竖边的长度相同为l1+2w1；
进一步的，本发明中采用横边和竖边的宽度l1＝12mm，竖边的一端到横边的距离w1＝1.5mm。
进一步的，介质层为正方形结构，厚度用h1表示，本发明中采用h1＝2mm；介质层采用相对介电常数为2.2的F4B材料。
进一步的，所述金属背板层的表面结构与介质层相同，为正方形结构，本发明中金属背板层的厚度为0.035mm。
进一步的，超表面单元的长度p1＝20mm，介质层的长度就是超表面单元的长度。
本发明基于利用傅里叶变换对时域溅射效应的分析结果，提出了一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列的设计方法，所述方法基于上述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，所述方法包括如下步骤：
步骤1，根据低散射超表面的工作频率，用仿真软件CST STUDIO SUITE 2019对超表面单元的结构尺寸进行优化，使超表面阵列工作频率的反射率相对于光滑金属板的反射率降低10dB以上。
所述低散射超表面的工作频率是6GHz，所述结构尺寸包括超表面单元的长度p1、十字形电阻薄膜横边和竖边的宽度l1、竖边的一端到横边的距离为w1、以及介质层厚度h1。
步骤2，以矩形脉冲信号作为入射波，所述矩形脉冲信号的载频为工作频段内的频率，通过时域法仿真超表面单元的反射波波形，观察反射波波形，若溅射效应持续时间大于0.1ns，或溅射最大值不小于入射波幅值，则进入步骤3，否则结束步骤。
步骤3，根据低散射超表面的工作频率，用仿真软件件CST STUDIO SUITE 2019对超表面单元的结构尺寸进行优化，通过优化单元结构增加其低散射带宽和抑制其带外反射率，返回步骤2。
进一步的，为了在更宽的频率范围内抑制带外反射率，所述十字形电阻薄膜采用ITO导电膜或电阻碳浆做丝网印刷。
有益效果：本发明同时关注了超表面在频域和时域上的隐身效果。设计了一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列。该超表面阵列在频域和时域上都具有隐身功能，在电磁隐身领域具有极高的应用前景。
附图说明
图1是本发明中十字形电阻薄膜和介质层结构示意图；
图2是由超表面单元组成的超表面阵列的示意图；
图3是强谐振金属方环单元结构示意图；
图4是强谐振金属方环阵列的结构示意图；
图5是本发明超表面单元阵列和金属方环单元阵列的反射幅度；
图6是载频为6.08GHz的矩形脉冲信号；
图7是本发明超表面单元阵列产生的时域散射波波形；
图8是金属方环单元阵列产生的时域散射波波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
利用傅里叶变换分析影响时域溅射效应的主要因素，得出以下结论：阵列的低散射带宽越宽，其时域溅射效应的持续时间越短；阵列的带外反射率越低，其时域溅射效应的最大值越小。
为了实现对时域溅射效应的抑制，本发明设计一种由具有较宽带宽和较低带外反射率的超表面单元组成的超表面阵列M1。如图1所示，超表面单元包括上层的十字形电阻薄膜、中层的介质层和底层的金属背板层。超表面单元的参数具体设置：p1＝20mm，l1＝12mm，w1＝1.5mm，h1＝2mm。上层十字形电阻薄膜的方阻为8Ω/sq,介质层采用相对介电常数为2.2的F4B材料，金属背板层为导电优良的材料如铜、银等材料,金属背板层厚度为0.035mm。如图2所示，超表面阵列M1是15×15个超表面单元排列组成的正方形，超表面阵列M1的边长为300mm。
作为对比，本发明选用了一个窄带、高带外反射率的金属方环阵列M2，金属方环阵列M2包括金属方环单元，如图3所示，金属方环单元包括上层的金属方环，中层的介质层和底层的金属背板层。金属方环的边长为l2，金属方环的宽度为w2，金属方环单元的长度为p2，中层的介质层为相对介电常数为4.3(1-0.024j)的FR4材料，其厚度为h2，底层的金属背板为导电优良的材料如铜、银等材料，金属背板层厚度为0.035mm。具体参数设置如下：p2＝10mm，l2＝7.8mm，w2＝0.7mm，h2＝0.6mm。如图4所示，金属方环阵列M2是30×30个金属方环单元，金属方环阵列的边长为300mm。
根据上述超表面阵列M1、金属方环阵列M2的结构尺寸与材料构成，加工制备相应的阵列M1、M2。并将得到的阵列M1、M2放入微波暗室进行测试。图5显示了本发明超表面单元阵列和金属方环单元阵列对反射幅度的测试结果。从图5中可以看出，本发明超表面单元阵列和金属方环单元阵列都在6GHz左右具有低散射特性。此外，相对于由金属方环单元阵列M2，本发明超表面单元阵列M1具有更宽的低散射带宽及更低的带外反射率。为了验证本发明超表面单元阵列M1对时域溅射效应有抑制作用，用如图6所示的载频为6.08GHz矩形脉冲信号分别入射到两个阵列，得到的散射波形分别如图7和图8所示。从图8可以看出，金属方环单元阵列M2的散射波在起始端和结束端有明显的溅射现象。如图7所示，本发明超表面单元阵列M1的散射波形观测不到明显的溅射现象。
在本实施例中，本发明的可抑制时域溅射效应的低散射超表面单元阵列M1，在5.6-6.5GHz频率范围内反射率相对光滑金属板降低10dB以上，同时在时域上，实现了对时域溅射现象的抑制。

Claims (8)

1.一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，其特征在于，所述超表面阵列包括超表面单元，超表面单元从上至下依次包括十字形电阻薄膜、介质层和金属背板层；
所述十字形电阻薄膜为中心对称结构，包括呈十字交叉的横边和竖边，横边和竖边的宽度
Figure 567142DEST_PATH_IMAGE001
相同，竖边的一端到横边的距离为
Figure 772996DEST_PATH_IMAGE002
；十字形电阻薄膜采用ITO导电膜或电阻碳浆做丝网印刷。
2.根据权利要求1所述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，其特征在于，横边和竖边的宽度
Figure 234064DEST_PATH_IMAGE003
，竖边的一端到横边的距离
Figure 100127DEST_PATH_IMAGE004
。
3.根据权利要求1所述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，其特征在于，介质层为正方形结构。
4.根据权利要求1所述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，其特征在于，介质层厚度
Figure 545014DEST_PATH_IMAGE005
。
5.根据权利要求1所述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，其特征在于，介质层采用相对介电常数为2.2的F4B材料。
6.根据权利要求1所述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，其特征在于，超表面单元的长度
Figure 757821DEST_PATH_IMAGE006
。
7.一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列的设计方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1所述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列，所述方法包括如下步骤：
步骤1，根据低散射超表面的工作频率，用仿真软件CST STUDIO SUITE 2019对超表面单元的结构尺寸进行优化，使超表面阵列工作频率的反射率相对于光滑金属板的反射率降低10dB以上；
所述结构尺寸包括超表面单元的长度
Figure 807817DEST_PATH_IMAGE007
、十字形电阻薄膜横边和竖边的宽度
Figure 844781DEST_PATH_IMAGE001
、竖边的一端到横边的距离为
Figure 776964DEST_PATH_IMAGE002
、以及介质层厚度
Figure 59041DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤2，以矩形脉冲信号作为入射波，所述矩形脉冲信号的载频为工作频段内的频率，通过时域法仿真超表面单元的反射波波形，观察反射波波形，若溅射效应持续时间大于0.1ns，或溅射最大值不小于入射波幅值，则进入步骤3，否则结束步骤；
步骤3，根据低散射超表面的工作频率，用仿真软件件CST STUDIO SUITE 2019对超表面单元的结构尺寸进行优化，通过优化单元结构增加其低散射带宽和抑制其带外反射率，返回步骤2。
8.根据权利要求7所述一种可抑制时域溅射效应的低散射超表面阵列的设计方法，其特征在于，步骤1和步骤3中，所述低散射超表面的工作频率是6GHz。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110488510A (zh) * 2019-08-22 2019-11-22 中北大学 一种基于ito介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件
CN112201961A (zh) * 2020-10-09 2021-01-08 中国人民解放军空军工程大学 基于幅度和相位调控的双功能超表面集成器件及设计方法
CN112864633A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 中南大学 一种基于超表面的宽带微波吸收体
CN113286418A (zh) * 2021-05-28 2021-08-20 海宁利伊电子科技有限公司 一种高性能电磁辐射抑制结构

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012169971A1 (en) * 2011-06-07 2012-12-13 Nanyang Technological University Method of generating a metamaterial, and a metamaterial generated thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110488510A (zh) * 2019-08-22 2019-11-22 中北大学 一种基于ito介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件
CN112201961A (zh) * 2020-10-09 2021-01-08 中国人民解放军空军工程大学 基于幅度和相位调控的双功能超表面集成器件及设计方法
CN112864633A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 中南大学 一种基于超表面的宽带微波吸收体
CN113286418A (zh) * 2021-05-28 2021-08-20 海宁利伊电子科技有限公司 一种高性能电磁辐射抑制结构

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Study on time domain electromagnetic sputtering effect from low RCS chessboard surface with EBG structure;Haijian Hou;《2017 7th IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies (MAPE)》;20180111;全文 *
Thin Film Metamaterial Split Ring Resonators at Microwave Frequencies;Nees Paul 等;《2019 Thirteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials)》;20191114;全文 *
二氧化钒薄膜低温制备及其太赫兹调制特性研究;孙丹丹等;《物理学报》;20130108(第01期);全文 *
周期性结构的时频散射特性研究;侯海健;《中国博士学位论文全文数据库(信息科技辑)》;20180615;全文 *

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