一种共形超薄宽带低可探测电磁超表面

1.本发明属于人工电磁隐身材料领域，涉及一种电磁超表面，具体涉及一种共形超薄宽带低可探测电磁超表面。


背景技术：

2.传统低可探测材料的性能已无法满足武器持续生存的需求，发展新型人工的低可探测电磁超表面已成为未来的主导形势。目前已有多种方法可以实现电磁超表面的低可探测，大多局限于平面结构的电磁超表面和特定波段的低可探测性能指标，而可共形于三维立体目标且满足宽带低可探测的电磁超表面研究相对匮乏。
3.雷达探测作为主流探测手段，通过获取目标的回波来检测识别目标，是迄今为止较为有效的远程电子探测方式。因此各国都将缩减武器装备目标的电磁可探测度作为最主要的性能指标之一。通过改变目标的电磁特征、三维形状和材质等可以大大降低目标的可探测度，这也正是目前各国科研人员研究的重点。传统的电磁低可探测材料的实现技术主要为吸波材料技术、低散射外形技术等物理手段。通过选用特定的特殊材质和结构的组合、制备以达到预期的电磁低散射特性和较低的纵向延伸高度，进而实现雷达目标低可探测的目的。然而，此设计规则下的材料也存在严重缺陷。所设计的低可探测材料大多质量重、厚度厚、电磁参数色散变化，无法达到整个雷达宽带频段的低可探测预期，实际生产过程和维护也面临巨大的压力。因此，传统低可探测技术无法满足各领域对高性能低可探测材料的预期要求，如何实现宽带、超薄、可共形、可探测度低、加工和维护成本适中的材料设计成为各领域关注的焦点。
4.为了满足更高性能的应用需求，近年来，研究学者们探索出了新兴的人工电磁结构——亚波长结构，可用于实现目标的低可探测。基于亚波长结构的人工材料称为超材料，可以实现天然材料与传统复合材料难以实现甚至无法实现的新奇功能。超表面是一种极薄的超材料，可看作新型的二维超材料，是周期或非周期结构的微观组合，具有厚度薄、体积小的优点，通过改变外在图案、尺寸等参数以实现灵活调控电磁波的目的。实现低可探测的超表面可归结为极化转换超表面（pcm）、频率选择表面（fss）、编码超表面等。pcm是一种典型的通过旋转光束方向来耗散电磁波的结构。fss通过电磁共振与光束相互作用，使特定频率处的可探测度降低。然而，目前的低可探测超表面研究大多集中在平面结构上，对三维目标的可共形超表面考虑较少，这与降低立体目标的可探测度需求相矛盾。
5.基于以上叙述可见，如何设计适用于实际三维目标的超薄、共形、宽带、偏振不敏感的低可探测电磁超表面成为了当前超表面领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有低可探测超表面设计局限于平面结构的电磁超表面和特定波段，且用于三维立体目标实现宽带低可探测的电磁超表面匮乏的问题，本发明提供了一种共形超薄宽带低可探测电磁超表面。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种共形超薄宽带低可探测电磁超表面，为由自下而上依次设置的金属基底层、第一电介质层、频率选择层、第二电介质层、极化转换层构成的有限尺寸的联合超表面，其中：所述频率选择层由宽带频率选择模块构成，宽带频率选择模块按照周期序列排列于第一电介质层上方；所述宽带频率选择模块的表面设计有金属图案层和集总电路；所述金属图案层包括变形方形环，变形方形环为将方环进行向内凹陷延展，包括s1和s2两种形式，两种变形的方环结构呈现嵌套分布，s2形式被s1形式嵌套包围；所述s1形式中，每条边以中点为对称点，沿各边向内凹陷两个锯齿形凹槽；所述s2形式中，方环的四个顶点向内凹陷；所述集总电路为在变形方形环内嵌套电阻元件r，r可根据实际需求进行选取，常用经验值为50~150ω；所述极化转换层由极化转换模块构成；所述极化转换模块由“0状态”和“1状态”两种互补子阵模块按照周期序列排列构成；所述“0状态”和“1状态”为极化转换模块初始状态与其旋转90
°
后的旋转状态，两者互为互补子阵模块；所述互补子阵模块为反射相位相差180
°
的极化转换模块的两种状态形式，每种状态由n2个极化转换子模块构成，n2个子模块以n
×
n的排列方式阵列化，且两种状态阵列间隔排列；所述n的选取需满足子模块能清晰体现散射相位特性，常用经验值为2~8；所述极化转换子模块的表面设计有金属图案层，金属图案层包括v字型金属贴片、方环型金属贴片和对称微带金属贴片；所述v字型金属贴片包括v1~v4四种形式，四种形式沿极化转换子模块对角线呈中心对称分布，且均为孔洞结构；所述v1形式中，单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ1；所述v2形式中，单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ2；所述θ1和θ2的选取需满足与对称微带金属贴片无重叠且需清晰体现出极化转换的相位旋转特性，常用经验值为15
°
~30
°
；所述v3形式为v2形式关于极化转换模块中心点的中心对称结构，其单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ3，θ3=θ2；所述v4形式为v1形式关于极化转换模块中心点的中心对称结构，其单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ4，θ4=θ1；所述方形环金属贴片搭载在极化转换子模块的中心，其对角线与极化转换子模块对角线在一条直线上；所述方形环金属贴片为三种方形环结构的嵌套，方形环的环宽为w1，环与环之间的间隔为w2；所述w1和w2的选取需清晰体现出方形环的谐振特性以及满足结构尺寸要求，常用
经验值为0.1~0.5 mm；所述对称微带金属贴片为沿极化转换子模块对角线的两条微带线，两条微带线中间被方形环金属贴片截断；所述金属图案层选用ito透明柔性金属材料，厚度为hm；所述hm的选取需结合三维目标的立体形式以及设计指标，保证数值尽可能小，以保障金属材料的弯曲应力，常用经验值为0.01~0.03 mm；所述第一电介质层和第二电介质层选取柔性介质材料pet，厚度为hs；所述hs的选取需满足共形超薄的设计指标，保证数值尽可能小，以满足弯曲共形时材料属性不发生变化，常用经验值为1~5 mm；所述联合超表面的二维尺寸为p
×
p，p的取值应满足微型的指标需求，常用经验值为4~8 mm；所述联合超表面的电磁散射特性由极化转换模块、宽带频率选择模块以及极化转换模块、宽带频率选择模块内基本单元的结构和排列方式决定。
8.相比于现有技术，本发明具有如下优点：1、本发明设计的联合超表面整体较薄，结构弯曲承受的应力小，适用于有共形需求的结构；2、本发明的共形超薄宽带低可探测电磁超表面具有宽带低可探测的特性，金属和材质均选取透明柔性结构，在低可探测的基础上可进一步引入光学隐身表面涂层，实现多波段的低可探测；3、本发明的共形超薄宽带低可探测电磁超表面采用人工电磁结构，与传统的吸波隐身相比，有效抑制了吸波材料能量吸收后形成的严重热效应；4、本发明的共形超薄宽带低可探测电磁超表面对原材料的独特性要求低，可用材料局限性较小，适用于各种极端的复杂场景；子模块结构图案简单，仅包括一种联合超表面结构，且排列方式不做严格设置，有效减少了加工成本，有助于实际的工程应用。
附图说明
9.图1为本发明共形超薄宽带低可探测电磁超表面的设计流程图。
10.图2为采用本发明共形超薄宽带低可探测电磁超表面的整体结构示意图，互补模块按照3
×
3的子阵序列进行周期排列。
11.图3为采用本发明共形超薄宽带低可探测电磁超表面剖面示意图。
12.图4为采用本发明共形超薄宽带低可探测电磁超表面的等效电路图。
13.图5为采用本发明极化转换模块示意图。
14.图6为采用本发明频率选择表面模块示意图。
15.图7为3
×
3互补子模块的示意图，（a）为“0状态”的3
×
3模块示意图，（b）为“1状态”的3
×
3示意图，两种状态模块在图2中呈交替周期方式排列。
16.图8为单独极化转换模块、单独频率选择模块、同时联合两个模块的共形超薄宽带低可探测电磁超表面的s
11
反射系数实验结果对比。
17.图9为单独极化转换模块、单独频率选择模块、同时联合两个模块的共形超薄宽带低可探测电磁超表面的s
11
反射系数相对于完美电导体pec的s
11
反射系数缩减效果的实验
结果对比。
18.图10为联合超表面的极化转换模块层在te和tm极化下各自的反射系数实验结果以及极化转换表面的极化转换效率。
19.图11为本发明和完美电导体的后向散射截面积对比实验结果以及相对于完美电导体的rcs缩减结果。
20.图12为联合极化转换模块和频率选择模块共形超薄宽带低可探测电磁超表面与三维目标共形的整体结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
22.本发明提供了一种共形超薄的宽带低可探测的电磁超表面的设计方法，如图1所示，所述方法包括如下设计步骤：步骤1：依据电磁性能指标设计平面宽带低可探测电磁超表面中的极化转换模块l1。
23.结合图1的整体设计思路，本步骤的重点在于设计极化转换模块以及模块内对应的互补子模块，并将其进行周期排列以适应性能需求。
24.本步骤中，所述极化转换模块由“0状态”和“1状态”两种互补子阵模块按照周期序列排列构成，其中：所述互补子阵模块可以由不同结构参数单元实现，该情形下，不同结构参数对应不同的极化转换相位；所述“0状态”和“1状态”为极化转换模块初始状态与其旋转90
°
后的旋转状态，两者互为互补子阵模块；所述互补子阵模块为反射相位相差180
°
的极化转换模块的两种状态形式，每种状态由9个极化转换子模块构成，9个子模块以3
×
3的排列方式阵列化，且两种状态阵列间隔排列。
25.本步骤中，极化转换子模块的表面设计有金属图案层，如图5所示，金属图案层包括v字型金属贴片、方环型金属贴片和对称微带金属贴片，其中：所述v字型金属贴片包括v1~v4四种形式，四种形式沿极化转换子模块对角线呈中心对称分布，且均为孔洞结构；所述v1形式中，单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ1=30
°
；所述v2形式中，单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ2=30
°
；所述v3形式为v2形式关于极化转换模块中心点的中心对称结构，其单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ3=30
°
；所述v4形式为v1形式关于极化转换模块中心点的中心对称结构，其单侧孔洞结构与极化转换子模块对角线的夹角为θ4=30
°
；所述方形环金属贴片搭载在极化转换子模块的中心，其对角线与极化转换子模块对角线在一条直线上，实现除极化转换之外的电磁波消耗；
所述方形环金属贴片为三种方形环结构嵌套，环宽为w1=0.2mm，间隔为w2=0.2mm；所述对称微带金属贴片为沿极化转换子模块对角线的两条微带线，两条微带线中间被方形环金属贴片截断，微带宽度s1=0.1mm；所述金属图案层选用ito透明柔性金属材料。
26.本步骤中，互补子模块阵列的排列方式如图7所示，“0状态”和“1状态”的两个子阵按照3
×
3的排列方式组合。
27.步骤2：依据谐振原理，设计谐振式宽带频率选择模块l2。
28.本步骤中，如图6所示，宽带频率选择模块的表面设计有金属图案层和集总电路，其中：所述金属图案层包括变形方形环；所述变形方形环为将方环进行向内凹陷延展，包括s1和s2两种形式，两种变形的方环结构呈现嵌套分布，s2形式被s1形式嵌套包围；所述s1形式中，每条边以中点为对称点，沿各边向内凹陷两个锯齿形凹槽，锯齿形凹槽尺寸为d1=0.2mm、d2=1mm、d3=1mm；所述s2形式中，方环的四个顶点向内凹陷，顶点向内凹陷尺寸为d4=0.6mm、d5=0.6mm；所述d1、d2、d3、d4、d5均为尺寸参数，与散射特性相对应，可根据设计指标进行调节；所述集总电路为在变形方形环内嵌套电阻元件r，电阻元件r嵌套在变形方形环每一条直线线段的中点以充分消耗电磁波。
29.本步骤中，金属图案层选用ito透明柔性金属材料。
30.步骤3：贴合目标表面生成超表面的金属底面层，将金属底面层平铺展开成平面l3。
31.本步骤中，金属底面层选用ito透明金属材料。
32.步骤4：在平面l3上生成第一电介质层l4，将谐振式频率选择表面l2按照周期序列排列于第一电介质层l4上方。
33.本步骤中，第一电介质层的介质选取pet柔性介质，以适用三维结构的共形需求。
34.步骤5：在谐振式频率选择表面l2上方生成第二电介质层l5，将极化转换模块l1按照周期序列排列于第二电介质层l5上方。
35.本步骤中，第二电介质层的介质选取pet柔性介质，以适用三维结构的共形需求。
36.步骤6：将布置有极化转换模块和频率选择模块的整体平面联合超表面还原到目标几何形态，完成由极化转换模块和频率选择模块联合构成的共形超薄宽带低可探测电磁超表面。
37.本步骤中，共形超薄宽带低可探测电磁超表面的等效电路基于传输线理论进行设计，如图4所示，将电介质层看作等效传输线，将极化转换层和频率选择层看作电容c、电感l和电阻r集总元件的组合结构，pcm层对应的集总元件参数表示为c
pcm
、l
pcm
、r
pcm
，fss层对应的集总原件参数表示为c
fss
、l
fss
、r
fss
。
38.本步骤中，联合极化转换模块和频率选择模块的共形超薄宽带低可探测电磁超表面的排列方式如图2所示，联合超表面与三维目标共形后如图12所示，互补子模块的各个状态以子阵为单位交替排列，排列的周期个数依据实际尺寸进行周期设计。联合超表面的关
键结构参数为：所述金属底面层和金属图案层选取透明金属材料ito，厚度为hm=0.0175mm；所述电介质层选取柔性介质材料pet，厚度为hs=2mm；单元二维尺寸为p
×
p，p=6mm。
39.本发明根据极化转换表面的设计原则，通过转换反射电磁波的相位达到低可探测的目的；同时，将两个呈轴线对称的极化转换互补子模块进行周期交替排序，“0状态”和“1状态”满足旋转角度相差90
°
，保证极化不敏感性，两个互补子模块的反射相位相差为180
°
，依据干涉相消原理，进一步实现降低可探测度的效果，互补子模块的中心加载环形结构，在电磁波相位相消的基础上进一步实现冗余波的谐振消耗。
40.本发明根据等效电路理论设计频率选择表面，将方形环结构凹陷以进一步引入谐振电路，并将电阻进行内置嵌套，增加频率选择表面模块的内部热量损耗，尽可能拓宽电磁超表面的吸收带宽，以达到宽电磁波段低可探测的目的。
41.本发明通过极化转换和频率选择表面的融合设计来实现共形超薄联合超表面的宽带低可探测，极化转换表面作为联合超表面的第一层结构，当电磁波照射极化转换模块时，电磁波相对原来的入射方向发生90
°
的相位偏转，与互补子模块的相位偏转形成180
°
的相位差异，达到散射波相互干涉抵消的目的，互补子模块的中间位置嵌套环形结构，以进一步消耗或透射无法完成极化转换的波束部分；频率选择表面对通过极化转换层表面的电磁波进行消耗及谐振，多个方形环及复杂变形结构使得谐振频点增多，增大了低可探测的带宽；整体金属和材质均选取透明柔性结构，在低可探测的基础上可进一步引入光学隐身表面涂层，实现多波段的低可探测。
42.为了更好地说明本发明技术的效果，本发明对联合超表面的子模块电磁特性进行对比，并结合完美电导体说明低可探测的性能；同时对“0状态”和“1状态”的极化转换率进行计算；电磁波发射信号选用高斯信号，仿真软件选用cst全波仿真软件，频率为0~15ghz，边界条件为unit cell格式。
43.图8出了极化转换模块、频率选择模块和本发明的联合超表面的反射系数对比实验结果，其中，在0~5ghz，极化转换表面的低可探测效果优于联合超表面，但优势并不明显；在5~15ghz内，联合超表面的低可探测效果明显优于极化转换模块，最高相差接近0.5个反射系数；虽然对于极化转换模块而言，局部频段内效果略显优势，但整体而言，极化转换模块的可探测度较劣势于联合超表面；对于频率选择模块，联合超表面的优势更为明显，在整个0~15ghz波段内，联合超表面的吸收优势均远好于频率选择模块，足以证明了本发明设计的超表面的优越性。图9给出了极化转换模块、频率选择模块和本发明设计的联合超表面的反射系数相对于完美电导体的差异对比，与图8的实验结果类似，其中效果最差的为频率选择模块，整体而言，依据本发明设计的联合超表面具有明显低可探测优势。极化转换率（pcr）如图10，整体保持较高水平，充分说明本发明设计的极化转换表面低可探测性能的有效性。图11给出了联合超表面与完美电导体对应的后向散射系数rcs曲线以及联合超表面相对于完美电导体的可探测度缩减量，从图中可明显得出，联合超表面rcs明显低于完美电导体，对于超薄超表面，rcs小于-5 db则认为可探测度缩减效果优异，其中rcs缩减小于-5 db的带宽也维持宽带特性，分别为8~15.5 ghz和22~30 ghz，这对于超薄超表面而言，是较为优异的缩减效果。