一种带透波窗口的极化转换编码超表面

技术领域

本发明属于涉及电磁超表面领域，涉及一种带透波窗口的极化转换编码超表面。

背景技术

随着科技的发展进步，雷达隐身技术在军事领域中得到了飞速发展。降低目标的RCS是一个非常重要的课题，因为较小的RCS有助于减少目标在雷达上的探测距离和识别难度，从而提升隐蔽性。科技的发展和军事的需要促使RCS缩减相关成果大量涌现，且对军事发展有重大贡献。但是现有的电磁超表面往往只能实现单一的功能，并不能集成其他的功能。为了进一步促进军事的发展，研究人员希望所设计的电磁超表面既能实现RCS缩减，又能允许特定的电磁波透过，而相关的研究工作开展较少。透波和低RCS一体化技术为解决此问题提供了一种可行的方式，相关技术工作在近五年才开展。

透波和低RCS一体化技术是一种在电磁超表面上既能实现低RCS也能实现透波的技术，该电磁超表面具有良好的电磁调控特性。透波和低RCS一体化的超表面往往是由顶层的RCS缩减编码层和底层的带通型频率选择表面构成。在通带频率下，电磁波能够顺利透过。而在通带频率外，底层频率选择表面是一个类PEC结构，顶部的编码层可以实现RCS缩减。和传统的电磁超表面相比，该超表面集成了RCS缩减和透波两个功能。目前，研究人员已经提出一部分透波和低RCS一体化结构，但是这些结构在RCS缩减带宽、单元剖面厚度和多角度稳定性上仍有不足。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种带透波窗口的极化转换编码超表面，包括多个超表面编码单元；

所述超表面编码单元包括顶层和设置在所述顶层下方的底层；

所述顶层为编码层；

所述底层为带通型频率选择表面；

所述编码层包括第一介质基板和附着在所述第一介质基板上的极化转换编码金属图案；

所述带通型频率选择表面包括第二介质基板、附着在所述第二介质基板上表面的第一金属图案层及附着在所述第二介质基板下表面的第一金属图案层；

所述编码层和所述带通型频率选择表面之间为空气层；

多个超表面编码单元的排列方式如下：

将所述超表面编码单元命名为超级单元0，将该超级单元0绕中心旋转90度即得到超级单元1，对相同数目的超级单元0和超级单元1生成随机编码序列。

进一步地，根据权利要求1所述的一种带透波窗口的极化转换编码超表面，其特征在于：所述超表面编码单元采用正方形。

进一步地，所述极化转换编码金属图案采用类似鱼叉图案，所述类似鱼叉图案贯穿在第一介质基板的对角线方向；

所述类似鱼叉形图案包括第一三角形、第二三角形和第三三角形；第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆；

所述第一三角形、第二三角形和第三三角形尺寸相同；所述所述第一三角形、第二三角形和第三三角形均采用等腰直角三角形；

所述第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆尺寸相同；

所述第一三角形的底边中心与第一连接杆一端相连接；所述第一连接杆另一端与所述第二三角形的直角一体连接；

所述第二连接杆一端与所述第二三角形的底边的中点相连接；所述第二连接杆另一端与所述第三三角形的直角一体连接；

所述第三连接杆一端与所述第三三角形的底边的中点相连接。

进一步地，所述第一金属图案层包括第一图案和第二图案；第一图案和第二图案构成栅格方环孔径金属图案；

所述第一图案采用正方形方环，所述第二图案采用与所述正方形方环各个边距离相等的第一正方形。

进一步地，所述第二金属图案层包括设置在所述第二介质基板四个角的四个第二正方形；所述四个第二正方形将所述第二介质基板划分成十字结构。

进一步地，所述极化转换编码金属图案、第一金属图案层和第二金属图案层采用铜。

进一步地，所述空气层厚度h＝5.4mm；所述极化转换编码金属图案、第一金属图案层和第二金属图案层厚度为0.035mm；所述第一正方形的边长为c＝6.6mm；所述第二介质基板的宽度为d＝0.9mm；所述第一三角形的直角边的长度为a＝3mm，所述第一三角形的直角边的长度距离第一介质基板一边的宽度为b＝0.1mm；所述第一连接杆的宽度为w-＝0.8mm；所述第一介质基板的宽度为p＝9.2mm，所述十字结构的宽度为e＝1mm，所述第一介质基板和第二介质基板厚度为0.25mm。

本发明提供的一种带透波窗口的极化转换编码超表面，具有以下优点：具体是利用频率选择表面结合极化转换单元设计一种集成透波和低RCS于一体的电磁超表面，在实现RCS缩减的基础上允许电磁波透过；本发明主要解决现有研究中电磁超表面的RCS缩减和透波难以共同实现的问题，超表面RCS缩减频带窄的问题，斜入射下的双站RCS缩减效率变低的问题，极化转换超表面中单元最优编码序列难以获取的问题，所设计的电磁超表面剖面过厚的问题。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明极化转换编码层由鱼叉型金属图案和附着的介质基板组成，通过优化结构参数实现超表面超宽带RCS缩减。

2.本发明将传统电磁超表面的底层PEC替换成带通型频率选择表面，实现透波和低RCS一体化的设计。

3.本发明带通型频率选择表面层由介质基板和上下两层的金属图案组成，通过优化结构参数实现透波低插损。

4.本发明通过对极化转换超级单元0和超级单元1进行随机编码序列排布，可以实现多角度入射的双站RCS缩减。

5.本发明的单元剖面厚度很薄，但是RCS缩减带宽很宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例单个超表面编码单元的三维结构示意图；

图2为本发明实施例单个超表面编码单元的顶层编码层的示意图；

图3为本发明实施例单个超表面编码单元的底层带通型频率选择表面的上层示意图；

图4为本发明实施例单个超表面编码单元的底层带通型频率选择表面的下层示意图；

图5为本发明实施例在电磁波垂直入射时的共极化和交叉极化反射系数曲线图；

图6为本发明实施例在电磁波垂直入射时的极化转换比率曲线图；

图7为本发明实施例在电磁波垂直入射时的共极化和交叉极化反射相位曲线图；

图8(a)为本发明实施例4*4超级单元0的示意图，(b)4*4超级单元1的示意图,(c)带透波窗口的极化转换编码超表面示意图；

图9为本发明实施例完整超表面在电磁波垂直入射时的RCS缩减示意图；

图10为本发明实施例完整超表面在电磁波垂直入射时的透射系数示意图；

图11为本发明实施例完整超表面与谐振频率为3.08GHz的天线的空间示意图；

图12为本发明实施例完整超表面在3.08GHz时在xoz面上的天线增益曲线图；

图13为本发明实施例完整超表面在3.08GHz时在yoz面上的天线增益曲线图。

附图标记：1、第一金属图案层，2、第一介质基板，3、第一金属图案层，4、第二介质基板，5、第二金属图案层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～4所示，本发明提供一种带透波窗口的极化转换编码超表面，包括多个超表面编码单元；

所述超表面编码单元包括顶层和设置在所述顶层下方的底层；

所述顶层为编码层；

所述底层为带通型频率选择表面；

所述编码层包括第一介质基板2和附着在所述第一介质基板上的极化转换编码金属图案1；

所述带通型频率选择表面包括第二介质基板4、附着在所述第二介质基板上表面的第一金属图案层3及附着在所述第二介质基板下表面的第二金属图案层5；

所述编码层和所述带通型频率选择表面之间为空气层；

多个超表面编码单元的排列方式如下：

将所述超表面编码单元命名为超级单元0，将超级单元0绕中心旋转90度即得到超级单元1，对相同数目的超级单元0和超级单元1进行随机编码排序，随机编码排序后组成规则的方形，正方形或长方形。

所述超表面编码单元采用正方形；

所述极化转换编码金属图案包括类似鱼叉图案，所述类似鱼叉图案贯穿在第一介质基板的对角线方向；

所述类似鱼叉形图案包括第一三角形、第二三角形和第三三角形；第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆；

所述第一三角形、第二三角形和第三三角形尺寸相同；所述所述第一三角形、第二三角形和第三三角形均采用等腰直角三角形；

所述第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆尺寸相同；

所述第一三角形的底边中心与第一连接杆一端相连接；所述第一连接杆另一端与所述第二三角形的直角一体连接；

所述第二连接杆一端与所述第二三角形的底边的中点相连接；所述第二连接杆另一端与所述第三三角形的直角一体连接；

所述第三连接杆一端与所述第三三角形的底边的中点相连接。

所述第一三角形的直角边的长度为a，所述第一三角形的直角边的长度距离第一介质基板一边的宽度为b；所述第一连接杆的宽度为w；所述第一介质基板的宽度为p；

所述第一金属图案层3包括第一图案和第二图案；第一图案和第二图案构成栅格方环孔径金属图案；

所述第一图案采用正方形方环，所述第二图案采用与所述正方形方环各个边距离相等的第一正方形；

所述第一正方形的边长为c；所述第二介质基板的宽度为d；

所述第二金属图案层5包括设置在所述第二介质基板4四个角的四个第二正方形；所述四个第二正方形将所述第二介质基板4划分成十字结构；

所述十字结构的宽度为e；

所述底层和顶层之间的距离为h；

所述编码层的厚度为t

极化转换编码金属图案1、第一金属图案层3和第二金属图案层5的使用材料都是理想导体铜，厚度为0.035mm。

第一介质基板2和第二介质基板4的使用材料都是相对介电常数为2.65，介质损耗角正切0.005的F4B-2，厚度为t

所述编码层和所述带通型频率选择表面中间还有一段空气层，空气层厚度h＝5.4mm。

编码单元的周边长度p＝9.2mm，其他的编码单元几何参数如下：a＝3mm，b＝0.1mm，w＝0.8mm，c＝6.6mm，d＝0.9mm，e＝1mm。

本实施例中，使用三维电磁场仿真软件CST2021版进行测试，首先四周为open(addspace)边界模拟完整编码超表面，证实本发明具有良好的特性，测试时设置2～20GHz为扫频范围。

电磁波垂直入射时的共极化和交叉极化反射系数曲线图如图5所示，可知本发明在5.32-19.31GHz频带范围内，共极化反射系数均在-10dB以下，而在5.47-19.27GHz频带范围内交叉极化反射系数均在-0.5dB以上，证实在一段频带内电磁波的共极化分量转换成了交叉极化分量。

电磁波垂直入射时的极化转换比率曲线图如图6所示，可知本发明在5.35-19.24GHz频带范围内，极化转换效率PCR＞0.9，和图5的共极化和交叉极化反射系数的频带基本吻合。定义极化转换效率PCR为

式中Γ

电磁波垂直入射时的共极化和交叉极化反射相位曲线图如图7所示，可知本发明共极化反射系数和交叉极化反射系数的反射相位时时刻刻相差±90度，证实在一段频带内电磁波的共极化分量转换成了交叉极化分量。

图8(a)为本发明实施例4*4超级单元0的示意图，(b)4*4超级单元1的示意图,(c)带透波窗口的极化转换编码超表面示意图；一种超级单元由4×4的单元0组成，命名为超级单元0，另一种超级单元由4×4的单元1组成，命名为超级单元1。对8个超级单元0和8个超级单元1生成随机编码排布序列，最终得到完整的编码超表面。

超表面在电磁波垂直入射时的RCS缩减示意图如图9所示，可知本发明在5.56-19.07GHz频带范围内的RCS缩减量超过10dB，和图6的极化转换效率＞0.9的频带范围基本吻合。

超表面在电磁波垂直入射时的透射系数示意图如图10所示，可知本发明在3-3.18GHz下的透射系数大于-1dB，其中在3.08GHz下的插损小于0.5dB，证实了本发明实现了集成透波和RCS缩减于一体的功能。

超表面与谐振频率为3.08GHz的天线的空间示意图如图11所示，天线位于超表面的正上方50mm处，可以用天线对超表面的增益来验证超表面的透波性能。

超表面在3.08GHz时在xoz面上的天线增益曲线图如图12所示，可知本发明在xoz面的天线增益损失小于1dBi，证实了超表面在xoz面上的透波性能。

超表面在3.08GHz时在yoz面上的天线增益曲线图如图13所示，可知本发明在yoz面的天线增益损失小于1dBi，证实了超表面在yoz面上的透波性能。本发明通过利用带通型频率选择表面结合极化转换单元设计出了一种带透波窗口的极化转换编码超表面，具有集成透波和RCS缩减于一体的功能，可在大频率范围内实现超过10dB的RCS缩减，也可以实现透波插损小于0.5dB。本发明提供的超表面是编码排布的，可以更好地实现RCS缩减。本发明提供的超表面厚度仅为5.9mm，在厚度轻薄的情况下实现了集成了透波和RCS缩减于一体的功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。