随机相位梯度多极化、极化无关广角rcs缩减超表面
阅读说明：本技术 随机相位梯度多极化、极化无关广角rcs缩减超表面 (Random phase gradient multi-polarization independent wide-angle RCS (radar cross section) reduced super surface ) 是由 董果香 解川川 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明属于新型人工电磁材料和雷达隐身技术领域,公开了一种随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面,随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面由多种类型的非周期单元结构组成,包括金属图案层、介质基板和金属背板,上层金属图案层位于介质基板的上表面。多种类型的非周期单元由两个基本单元或一个基本单元组成；其他类型的单元最多由两个基本单元组成,形状为v或x结构,各个单元随机分布在所述超表面上。本发明超表面的单元没有特定的周期,通过改变单元上金属切割线的旋转角度以及采用多种类型单元来产生随机相位梯度,入射波被随机相位梯度打散至任意方向,实现了多极化、极化无关和广角RCS缩减特性。(The invention belongs to the technical field of novel artificial electromagnetic materials and radar stealth, and discloses a random phase gradient multi-polarization-independent wide-angle RCS reduced super-surface which is composed of various non-periodic unit structures and comprises a metal pattern layer, a dielectric substrate and a metal back plate, wherein the upper metal pattern layer is positioned on the upper surface of the dielectric substrate. The multiple types of non-periodic units are composed of two basic units or one basic unit; other types of cells consist of at most two elementary cells, shaped in a v or x structure, with the individual cells randomly distributed over the super-surface. The units on the super-surface have no specific period, the incident wave is scattered to any direction by the random phase gradient by changing the rotation angle of the metal cutting line on the units and adopting various types of units to generate the random phase gradient, and the multipolarization, polarization independence and wide-angle RCS reduction characteristics are realized.)
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料和雷达隐身技术领域，尤其涉及一种随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面。
背景技术
目前，隐身技术的实现主要在于减小被探测目标的雷达散射截面(RCS)，降低RCS的主要方法包括雷达吸波材料和散射场重定向。雷达吸波材料能够吸收电磁波，降低被覆盖物体的RCS，同时可以采用多层吸波材料来扩展RCS缩减带宽。利用散射场重定向技术，可以人为地控制散射场，使得RCS在期望的范围内降低，人工磁导体(AMCs)和超材料常用于散射场重定向技术。
超材料由亚波长单元组成，其具有奇异的电磁特性，被广泛用于设计微波器件和天线，其中一个重要应用就是RCS缩减。2012年提出的相位梯度超表面(PGM)产生的附加波矢量可以控制电磁波的方向，导致入射波异常反射，证实了PGM具有降低后向散射的潜力。棋盘格超表面也可以实现RCS降低，具有宽带宽的棋盘格超表面通常由两种类型的AMC或一种不同大小的AMC组成。所有这些超表面的单元都有特定的周期，这意味着只能设计超表面单元的相位。此外，多数超表面都只在线极化波下实现了广角RCS缩减，没有做到真正的极化无关。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中多数超表面都只在线极化波下实现了广角RCS缩减，没有做到真正的极化无关。
解决以上问题及缺陷的难度为：如何在超表面上形成随机相位梯度，使得电磁波入射至超表面上被打散至其他任意方向，实现不同极化形式下RCS缩减。
解决以上问题及缺陷的意义为：探测雷达是不定向的，可能存在不同极化形式的电磁波照射目标物，则只能在特定条件下实现良好性能的结构存在一定的局限性，因此设计具有多极化、极化无关特性的RCS缩减超表面是有必要的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面，本发明为基于多种类型的非周期单元，增加了相位差的多样性，使得在超表面上产生随机相位梯度。
本发明是这样实现的，一种随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面，所述随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面由多种类型的非周期单元结构组成，包括金属图案层、介质基板和金属背板，上层金属图案层位于介质基板的上表面。
进一步，所述多种类型的非周期单元由两个基本单元或一个基本单元组成；
其他类型的单元最多由两个基本单元组成，形状为“v”或“x”结构，各个单元随机分布在所述超表面上。
进一步，所述基本单元为旋转角度随机的单条金属切割线，金属切割线的厚度为35μm，几何参数是w＝0.6mm，l＝5.6mm。
进一步，所述基本单元的分布由基于VBA语言的程序和CST仿真软件控制的均匀分布。
进一步，所述介质基板采用FR4，相对介电常数和损耗正切分别为2.65和0.001，厚度h为2.5mm。
进一步，所述多种类型的非周期单元没有特定的周期，通过改变单元上金属切割线的旋转角度以及采用多种类型单元产生随机相位梯度。
进一步，所述当提供一个适当的相位梯度时，由下式可知超表面能够在空间的任何方向上操控电磁波：
其中，Ki是入射波的波矢,θi是ki和z轴形成的入射角,Kr是反射波的波矢,θr是kr在ZOY平面的投影和kr形成的反射角度,φr是kr在ZOY平面上的投影与z轴形成的反射角，和是超表面上相位梯度的x极化分量和y极化分量。
进一步，所述当有很多相位梯度，且相位梯度具有相同的标量和方向时，反射波具有相同的方向。
进一步，所述当一个超表面具有很多随机的相位梯度，入射波照射在超表面时，反射波受到这些随机相位梯度的控制，这些在超表面上形成的相位梯度具有随机标量和方向，导致入射波的反射方向不同，从而被散射；相位梯度可以由下式表示：
其中，dφ表示超表面相邻单元之间的相位差，dx、dy分别表示相邻单元在x、y方向上的距离；将相位差dφ，距离dx、dy为随机，或者增加相位差dφ的多样性，在超表面上实现任意的相位梯度，随机相位梯度可以散射圆极化波和线极化波，导致极化无关的RCS缩减；
当入射角增大时，在超表面上也可以形成随机相位梯度，使得圆极化波和线极化波斜入射时RCS也得到了降低。
进一步，所述当旋转角度特定时，对于RHCP入射波，基本单元的反射相位对于周期变化并不敏感，基本单元可视为具有一定周期的单元。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明超表面的单元没有特定的周期，通过改变单元上金属切割线的旋转角度来实现不同的反射相位，以此产生相位梯度，同时采用其他类型单元，与基本单元相比可以产生相位差和反射差，增加了相位差的多样性，因此可以在超表面上产生随机相位梯度，入射波被随机相位梯度打散至任意方向，实现了多极化、极化无关和广角RCS缩减特性。本发明对于线极化波和圆极化波都可以实现广角RCS缩减，并非只能在线极化波下实现广角RCS缩减，是真正的极化无关的RCS缩减超表面。对于右旋圆极化(RHCP)波和左旋圆极化(LHCP)波，分别在12.6GHz-17.0GHz、18GHz-22GHz的范围和12.4GHz-17.0GHz、18.0GHz-21.8GHz的范围内RCS缩减量达10dB以上。对于x极化波和y极化波，分别在12.0GHz-17.0GHz的范围和13.0GHz-17.0GHz、17.6GHz-21.8GHz的范围内实现10dB以上RCS缩减效果。当入射角增大时，超表面上也可以形成随机相位梯度，圆极化波和线极化波斜入射也可以达到RCS缩减的效果。
本发明的单元没有特定的周期，单元上金属切割线的旋转角度可以改变，单元结构包括多种类型，由此来产生随机相位梯度。仿真结果和实验结果表明，利用随机相位梯度来实现隐身技术是有效的，且本发明具有多极化、极化无关、广角RCS缩减特性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超表面异常反射示意图。
图2是本发明实施例提供的相位梯度超表面对电磁波的调控示意图。
图3是本发明实施例提供的随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面结构示意图；
图中：图a、具有旋转角度的基本单元；图b、超表面结构。
图4是本发明实施例提供的不同尺寸p下RHCP波垂直入射时超表面单元的反射振幅和反射相位示意图。
图5是本发明实施例提供的具有不同单元周期p和不同旋转角度φ的超表面在RHCP波垂直入射下的反射振幅和反射相位示意图。
图6是本发明实施例提供的不同单元在RHCP波垂直入射下的反射振幅和反射相位示意图。
图7是本发明实施例提供的圆极化波下超表面的RCS示意图。
图8是本发明实施例提供的线极化波下超表面的RCS示意图。
图9是本发明实施例提供的圆极化波在不同入射角下的RCS示意图；
图中：图a、RHCP波；图b、LHCP波。
图10是本发明实施例提供的线极化波在不同入射角下的RCS示意图；
图中：图a、入射电场在xoz平面；图b、入射电场在yoz平面。
图11是本发明实施例提供的相同尺寸的PEC和超表面在斜入射时14.2GHz的三维双站RCS对比图。
图12是本发明实施例提供的RCS测试平台示意图；
图中：图a、超表面样品；图b、实验装置。
图13是本发明实施例提供的仿真和测试的RCS对比图；
图中：图a、x极化波；图b、y极化波；图c、RHCP波；图d、LHCP波。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图3的本发明提供的随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面仅仅是一个具体实施例而已。
本发明实施例提供的随机相位梯度多极化、极化无关广角RCS缩减超表面由多种类型的非周期单元结构组成，包括金属图案层、介质基板和金属背板，上层金属图案层位于介质基板的上表面。本发明能够能够实现多极化、极化无关和广角RCS缩减的随机相位梯度超表面。
如图3所示，本发明实施例提供的随机相位梯度超表面，其所有单元都没有特定的周期，都是由两个基本单元或一个基本单元组成的，基本单元为旋转角度随机的单条金属切割线，金属切割线的厚度为35μm，几何参数是w＝0.6mm，l＝5.6mm，基本单元的分布是由基于VBA语言的程序和CST仿真软件控制的均匀分布；其他类型的单元最多由两个基本单元组成，形状为“v”或“x”结构，因此可以在超表面上产生随机相位梯度，各个单元随机分布在所述超表面上。介质基板采用FR4，相对介电常数和损耗正切分别为2.65和0.001，厚度h为2.5mm。
本发明超表面的单元没有特定的周期，通过改变单元上金属切割线的旋转角度以及采用多种类型单元可以产生随机相位梯度。
所有单元都没有特定的周期，且包含多种类型。当提供一个适当的相位梯度时，由下式可知超表面能够在空间的任何方向上操控电磁波：
其中，Ki是入射波的波矢,θi是ki和z轴形成的入射角,Kr是反射波的波矢,θr是kr在ZOY平面的投影和kr形成的反射角度,φr是kr在ZOY平面上的投影与z轴形成的反射角，和是超表面上相位梯度的x极化分量和y极化分量，如图1。当超表面有很多相位梯度，且这些相位梯度具有相同的标量和方向时，反射波具有相同的方向。假设一个超表面具有很多随机的相位梯度，如图2，当入射波照射在超表面时，反射波受到这些随机相位梯度的控制，这些在超表面上形成的相位梯度具有随机标量和方向，导致入射波的反射方向不同，从而被散射。相位梯度可以由下式表示：
其中，dφ表示超表面相邻单元之间的相位差，dx、dy分别表示相邻单元在x、y方向上的距离。上式表明，将相位差dφ，距离dx、dy设计为随机，或者增加相位差dφ的多样性，都可以在超表面上实现任意的相位梯度，这些随机相位梯度可以散射圆极化波和线极化波，导致极化无关的RCS缩减，当入射角增大时，在超表面上也可以形成随机相位梯度，使得圆极化波和线极化波斜入射时RCS也得到了降低。
如图4所示，当旋转角度特定时，对于RHCP入射波，基本单元的反射相位对于周期变化并不敏感，基本单元可视为具有一定周期的单元。
如图5所示，反射相位差实际上是通过将具有不同周期的基本单元旋转到不同的旋转角度而产生的，因为该单元的传统P-B相位具有特定的单元周期。
如图6所示，与基本单元相比较，这个“v”或“x”形单元可以产生相位差和反射差。对于LHCP入射波，图4-6也可以得到类似的结果，但LHCP波和RHCP波产生的相位梯度相反。
下面结合仿真实验对本发明的技术方案作进一步的描述。
针对本发明相位梯度超表面的多极化、极化无关的RCS缩减特性，借助了电磁仿真软件，先仿真了圆极化波垂直入射到超表面的RCS图。从图7中可知，超表面在8GHz-28GHz的范围内实现了RCS缩减，对于RHCP波和LHCP波，分别在12.6GHz-17.0GHz、18GHz-22GHz的范围和12.4GHz-17.0GHz、18.0GHz-21.8GHz的范围内RCS缩减量达10dB以上。RCS缩减频带与图5的相位差带重合，这表明RCS缩减是因为在所述超表面上形成了随机相位梯度，证明了基于随机相位梯度的波扩散的设计思想。
对于线极化来说，一个线极化可以分解为两个旋转方向相反、大小相同的圆极化波，因此本发明也可以在线极化波下工作。超表面和相同尺寸的PEC在线极化波垂直入射下仿真得到的RCS如图8所示，对于线极化波，超表面在8GHz到28GHz的范围内实现了RCS缩减，对于x极化波和y极化波，分别在12.0GHz-17.0GHz的范围和13.0GHz-17.0GHz、17.6GHz-21.8GHz的范围内实现10dB以上RCS缩减效果。因此，本发明实现了多极化RCS缩减，包括圆极化波和线极化波，且RCS缩减与极化无关，这是因为RCS缩减是基于超表面上形成的随机相位梯度。
图9和图10为本发明随机相位梯度超表面在圆极化波和线极化波斜入射情况下的RCS缩减情况，当入射角增加时，对于宽入射角也可以实现RCS减小，这是因为本发明采用非周期单元，相邻单元的相位差是随机的，随机相位梯度可以在超表面上形成。为了进一步验证本发明可以用于斜入射，且可以实现双站RCS缩减特性，对远区散射场进行了仿真，图11中示出了超表面在斜入射时14.2GHz的三维双站RCS图，并且使用相同尺寸的金属板作为参考，当入射角增加时，超表面的三维双站RCS图没有明显的主瓣，说明本发明能够实现圆极化波和线极化波入射下广角RCS缩减。
为进一步验证本发明超表面可以实现多极化、极化无关RCS缩减的能力，制作了一个108mm×108mm的样品并对其散射强度进行了测量，如图12，样品的所有参数与仿真的参数相同，制作的样品垂直放置在平台上，收发天线与样品处于同一高度，且有足够的距离将电磁波垂直照射到样品上。图13显示了样品分别在x极化波、y极化波、RHCP波和LHCP波垂直入射下的RCS测试结果，测试结果与仿真结果吻合良好，制作误差可能导致测试和仿真结果之间的微小差异，实测的RCS缩减值表明超表面实现了多极化、极化无关RCS缩减。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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