一种超宽带雷达散射截面减缩超材料及超宽带雷达的制作方法

本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种基于多波相消干涉物理机制的超宽带雷达散射截面(rcs)减缩超材料及超宽带雷达。

背景技术

雷达通过天线将电磁能量辐射至大气空间中，能量以电磁波的形式向前传播。由于目标形状及表面的多样性，当电磁波遇到目标后将会向多个方向反射，一部分反射波会回到雷达的方向被截获。雷达根据截获到的信号可以得到被测目标的距离、方向、速度等信息。

雷达散射截面(rcs)，是度量雷达回波强弱的物理量。然而，为了降低对雷达发射的电磁波的反射，要求降低目标的rcs，使其在一定的频率范围内难以被敌方雷达检测和识别，无法获得被测目标的关键信息，从而躲避雷达的探测。当雷达系统一定时，被测目标的rcs主要取决于外观形状以及目标材料的电磁特性。通过外形结构的设计，目标的反射波偏离雷达发射方向。然而，外形隐身技术已经发展到了瓶颈期，受气动性能的限制，外形隐身技术很难再有大的改进。吸波材料可以将电磁能量转换成热量耗散，但是目前国内关于吸波材料的研究还存在窄带、效率低、密度大等缺点，应用也受到了限制；等离子体技术利用高功率微波在武器平台的主要散射区域产生等离子体对入射的电磁波实现吸收或衰减。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种超宽带雷达散射截面减缩超材料表面以及超宽带雷达：

本发明的一方面，提供一种超宽带雷达散射截面减缩超材料表面，所述超材料表面由m×n个有限非周期结构单元构成；所述有限非周期结构单元包括金属地板、介质板以及设置在所述介质板上的金属贴片；所述金属贴片包括十字金属贴片和金属环贴片。金属环贴片可以是金属方环贴片，也可以是金属圆环贴片或其他金属环贴片。

进一步地，通过设置所述有限非周期结构单元中的所述介质板的厚度参数；和/或，所述十字金属贴片的臂长参数；和/或，所述金属环贴片的尺寸参数；以抑制入射到所述超材料表面电磁波的后向散射。

进一步地，当平面波入射到超材料上时，所述m×n个有限非周期结构单元产生的m×n个反射波相消干涉，从而缩减雷达散射截面。

进一步地，所述金属贴片单元环绕所述十字金属贴片设置。

进一步地，所述金属环贴片构成不包含正中t个十字形金属环贴片的p×p阵列,p、t为奇数。

进一步地，所述有限非周期结构单元的宽度为d,金属环贴片的环宽度为ω，ω≤d/p²,所述金属环贴片选自如下尺寸之一：第1尺寸s1，满足d/p-2ω＜s1≤d/p-ω；第2尺寸s2，满足d/p-3ω＜s2≤d/p-2ω；第3尺寸s3，满足d/p-4ω＜s3≤d/p-3ω；……；第p-2尺寸sp-2，满足d/p-(p-1)ω＜sp-2≤d/p-(p-2)ω。

进一步地，所述有限非周期结构单元的宽度为d,金属环贴片的环宽度为ω，ω≤d/p²,所述十字金属贴片选自如下尺寸之一：十字金属贴片臂宽w：ω≤w≤d/p，十字金属贴片臂长l：3w≤l≤(p-2)w。

进一步地，所述m×n个有限非周期结构单元为4×4个。

进一步地，所述介质板为f4b-2介质板。

进一步地，所述超材料表面在6.16ghz-41.63ghz频段上，可实现10db以上的rcs减缩。

本发明的另一方面，提供一种超宽带雷达使用前述的超宽带雷达散射截面减缩超材料表面。

本发明具有如下有益效果：本发明首次提出了一种由16种非周期单元随机排布构成的超材料，在6.76倍频上可实现10db以上的rcs减缩。与180°相位差相消和编码超材料对比，本发明中使用的多波相消干涉方法有明显的优势。以往研究中大部分使用两种基本单元进行超材料设计，但是本发明使用了16种非周期基本单元，这种单元不仅可以满足实现相消干涉的反射相位特性，还可以自身达到一定的rcs减缩效果，极大地增强了超材料对电磁波的调控能力，可实现10db以上rcs减缩的频段由以往的3倍频提升到6.76倍频。利用场叠加原理，入射平面波垂直照射到超材料上时，16个非周期单元的反射波在空间叠加，空间中某一点的电场强度为各个反射波的叠加，其大小和方向取决于16个基本单元的排布。通过对16种非周期单元的随机排布，实现了电磁波的漫散射，从而达到减缩双站rcs的目的。本发明内容为rcs减缩技术的实现提供了一种新的设计思路和理念。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1(a)为本发明实施例提供的入射波入射到m×n个结构单元上的场叠加理论示意图；

图1(b)为本发明实施例提供的远场区域中m×n个反射波叠加的示意图；

图2为本发明实施例提供的非周期结构单元示意图；

图3为本发明实施例提供的通过调整几何参数l和h调控rcs减缩值的原理图；

图4为本发明中非周期结构单元的结构优化流程图；

图5(a)为本发明实施例提供的通过优化选择出的16个非周期单元构成的超材料的rcs减缩理论值随频率变化的曲线图；

图5(b)为本发明实施例提供的16个非周期结构单元垂直入射条件下的反射相位随频率变化的曲线图；

图5(c)为本发明实施例提供的16个非周期结构单元垂直入射条件下的归一化反射幅度随频率变化的曲线图；

图6为本发明实施例提供的16个非周期结构单元构成的超材料表面示意图；

图7为16个非周期结构单元构成的超材料分别在x极化和y极化仿真条件下rcs减缩值随频率变化的曲线图；

图8为16个非周期结构单元构成的超材料表面中的垂直入射仿真条件下超材料与同等大小的金属板在7ghz、12ghz、20ghz的双站方向图；

图9为16个非周期结构单元构成的超材料表面在斜入射仿真条件下te和tm极化的rcs减缩值随频率变化的曲线图；

图10为16个非周期结构单元构成的超材料实物图；

图11为单站rcs测量系统示意图；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

作为本发明的一个示例性实施例，给出一种超宽带rcs减缩超材料的一个仿真实施方案，此超材料工作于6.16ghz-41.63ghz频段，相对带宽148.4％，比率带宽6.76：1。

在本说明书的一个实施例中，如图1(a)、1(b)所示，给出了场叠加理论示意图。当平面波入射到m×n个晶格组成的超材料表面时，会产生m×n个反射波，m×n个反射波的反射系数幅度及相位各不相同，反射波在空间中叠加，实现相消干涉。每个晶格产生的反射波的反射系数都是任意的。

在本说明书的一个实施例中，如图2所示，给出了所使用的非周期单元结构的设计过程。金属环贴片构成不包含正中t个十字形金属环贴片的p×p阵列,p、t为奇数。

在一个可选的实施例中，将7×7个方环贴片构成的周期结构中位于中间位置的9个方环贴片挖掉，替换成一个十字贴片，其臂长为方环边长的2倍，臂宽与方环边长相等。其中结构的几何参数l及介质厚度h为后续工作中主要的调整对象。

在本说明书的一个实施例中，如图3所示，给出了通过调整几何参数l和介质厚度h调控rcs减缩值的原理图。需要同时考虑基本单元的反射系数的幅度和相位值。

在本说明书的一个实施例中，如图4所示，给出了非周期结构基本单元的优化流程图。

流程图分为两个模块：阵列综合理论(pso)模块与多波相消干涉(mwdi)模块。通过不断更新16组l和h值来计算不同情况下的rcs减缩值，搜索得到的最优rcs减缩值对应的16组l值和h值，将这16组数据存储起来。

在本说明书的一个实施例中，如图5(a)至5(c)所示，给出了选择的最优的16个非周期单元构成的超材料的rcs减缩理论值随频率变化的曲线图。可以看出，在很宽的频段上都有明显的rcs减缩效果。图5(b)为在垂直入射条件下，本发明中挑选出的16个非周期结构单元的反射相位随频率变化的曲线图。可见非周期单元的反射相位动态变化范围大，且曲线间基本保持平行。图5(c)为在垂直入射条件下，本发明中挑选出的16个非周期结构单元的归一化反射幅度随频率变化的曲线图。可见曲线大部分分布在归一化幅度1之下，说明非周期单元结构自身已经具备了rcs减缩能力。这些反射特性都增强了超材料在超宽带上减缩雷达散射截面的能力。

在本说明书的一个实施例中，如图6所示，给出了本发明中设计的可实现超宽带rcs减缩的超材料，也可称为超材料表面。由m×n个有限非周期单元构成，每个有限非周期单元的介质厚度和贴片尺寸各不相同。m×n组介质厚度h和几何参数l的值参照图4优化结果，m×n个有限非周期结构单元具有随机的结构尺寸和位置分布。

在一个可选的实施例中，所述有限非周期结构单元的宽度为d,金属环贴片的环宽度为ω，ω≤d/p²,所述金属环贴片选自如下尺寸之一：第1尺寸s1，满足d/p-2ω＜s1≤d/p-ω；第2尺寸s2，满足d/p-3ω＜s2≤d/p-2ω；第3尺寸s3，满足d/p-4ω＜s3≤d/p-3ω；……；第p-2尺寸sp-2，满足d/p-(p-1)ω＜sp-2≤d/p-(p-2)ω。

在一个可选的实施例中，图6中编号为1-16的16个有限非周期结构单元，是可以被打乱顺序随机排布的，并且每个非周期结构单元上的十字金属贴片和金属环贴片尺寸也可以改变。通过设置所述有限非周期结构单元中的所述介质板的厚度参数；和/或，所述十字金属贴片的臂长参数；和/或，所述金属环贴片的尺寸参数；以抑制入射到所述超材料表面电磁波的后向散射。

在一个可选的实施例中，超材料由4×4个有限非周期单元构成，这16个有限非周期单元上具有随机的排布顺序。

在一个可选的实施例中，4×4个有限非周期单元的整体尺寸为224×224mm²。

在一个实施例中，如图7所示，所述超材料分别在x极化和y极化仿真条件下rcs减缩值随频率变化的曲线图。可见从6.16ghz到41.63ghz都有10db以上的rcs减缩值，其比率带宽为6.76：1，减缩效果显著。由此可见，本发明中使用的新型物理机制——多波相消干涉，在拓宽rcs减缩带宽方面效果显著。

在一个实施例中，如图8所示，给出了在平面波垂直入射仿真条件下，超材料与其同等大小的金属板在7ghz、12ghz、20ghz三个频率点的双站散射方向图。通过对比可以看出，超材料的双站rcs减缩效果同样显著。

在一个实施例中，如图9所示，给出了在平面波斜入射仿真条件下，分别在te极化与tm极化情况下，超材料的rcs减缩值随频率变化的曲线图。斜入射角度分别为20°和40°。由此可见，在平面波宽角度斜入射时，无论是te极化还是tm极化，都可在超宽带上实现10db以上的rcs减缩值。

在一个实施例中，如图10所示，给出了本发明中设计的超材料实物图，整体结构的几何参数与仿真流程中使用的几何参数相同。介质为介电常数为2.65的f4b-2，介质底部粘合金属地板，上部粘合方环金属贴片及十字金属贴片。

在一个实施例中，如图11所示，给出了单站rcs测量系统示意图。喇叭天线发射球面波，球面波由抛物面金属反射器反射形成平面波。待测的超材料与反射器之间的距离满足远场条件。两个喇叭天线分别作为发射机和接收机，天线连接到矢量网络分析仪上。

综上所述，本文提出的多波相消干涉的物理机制的应用，很好地解决了带宽受限的问题。基于多波相消干涉物理机制，通过改变基本单元的介质厚度和方环宽度，得到16种不同的基本单元来构成超材料，这种超材料可以实现在超宽带上对电磁波进行调控。本发明中采用了不同的物理机制和设计思路实现了一种超宽带rcs减缩超材料。与现有设计的区别主要是，本发明基于多波相消干涉机制，采用了16种不同的有限非周期基本单元，

通过阵列综合理论及粒子群优化算法对16种基本单元进行随机排布，实现6.76倍频的10dbrcs减缩，极大地拓展了工作带宽。

应当理解的是，在本实施例中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。