一种超表面地毯斗篷的设计方法及系统

技术领域

本申请涉及光学元件或者光学转换器件技术领域，特别是涉及一种超表面地毯斗篷的设计方法及系统。

背景技术

电磁伪装技术旨在提高目标物体的生存能力，在现代军事和民用领域中具有重要的研究价值，一直以来得到广泛关注。实现电磁伪装的方式主要包括幻象和隐身，其中幻象指目标可模仿其他物体的电磁行为，而隐身指目标物体在自由空间不可见。因此，研究人员对电磁幻象和隐身的探索一直保持着很高的热情。

电磁超表面由周期或准周期单元阵列构成，基于单元引入突变相位，构成特定突变相位分布，实现所需的功能。超表面可实现电磁波幅度、相位和极化的任意控制。因此，基于超表面实现电磁伪装已成为一种可靠的方法。现有的基于超表面实现电磁幻象的方法主要包括地毯斗篷、全息、外斗篷和微扰超表面。用于实现电磁隐身的超表面设计主要包括地毯斗篷、地幔斗篷和级联超表面。然而，对于上述幻象和隐身超表面设备，只有当入射电磁波为特定频率、角度或极化时才能实现所需功能，且存在功能单一和结构复杂的缺点。这些问题使得现有的超表面伪装设备难以应对日益复杂的场景需求，极大阻碍了超表面伪装设备的发展。

鉴于此，提供一种可同时实现动态电磁幻象和隐身的超表面地毯斗篷的设计方法及系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种超表面地毯斗篷的设计方法及系统，可以使超表面地毯斗篷同时实现动态电磁幻象和隐身功能，进一步地克服了目前已有的电磁伪装超表面存在的缺点。

本发明提供的技术方案如下：

一种超表面地毯斗篷的设计方法，包括如下步骤：

根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取目标相位；

设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元；

根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷。

优选地，所述根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取目标相位，具体为：

其中，

优选地，所述设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元，具体为：

在可调超表面单元中嵌入所述二氧化钒；

通过切换所述二氧化钒的介质态和金属态，以使得所述可调超表面单元引入的几何相位可调。

优选地，所述可调超表面单元由两片所述二氧化钒贴片的顶层金属开口谐振环、中间介质层和底层金属板构成。

优选地，所述根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷，具体为

根据所述目标相位和所述可调超表面单元利用PB相位原理，构成超表面地毯斗篷。

优选地，所述根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷之后，还包括步骤：

对所述超表面地毯斗篷进行仿真验证。

一种超表面地毯斗篷的设计系统，包括：获取模块、嵌入模块和构成模块；

所述获取模块，用于根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取目标相位；

所述嵌入模块，用于设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元；

所述构成模块，用于根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷。

本发明提供了一种超表面地毯斗篷的设计方法，通过根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取目标相位；然后再设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元；最后根据目标相位和可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷；本方法通过引入二氧化钒，通过二氧化钒的特性使超表面地毯斗篷的功能、工作频率、入射角度和极化状态都动态可调，同时使构成的超表面地毯斗篷可同时实现动态幻象和隐身的功能，进一步地克服了目前已有的电磁伪装超表面存在的缺点。

本发明还提供了一种超表面地毯斗篷的设计系统，由于该系统与该超表面地毯斗篷的设计方法解决相同的技术问题，属于相同的技术构思，理应具有相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种超表面地毯斗篷的设计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的设计嵌入二氧化钒的可重构超表面单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的在入射波为RCP平面波时，同极化反射系数相位响应示意图；

图4为本发明实施例提供的在入射波为LCP平面波时，同极化反射系数相位响应示意图；

图5为本发明实施例提供的超表面地毯斗篷的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的超表面地毯斗篷的工作示意图；

图7为本发明实施例提供的超表面地毯斗篷实现幻象功能和隐身功能的横截面示意图；

图8本发明实施例提供的在CP平面波，总近电场分量平均值的仿真结果图；

图9为本发明实施例提供的与图8相对应的远场雷达散射截面分布图；

图10为本发明实施例提供的另一种在CP平面波，总近电场分量平均值的仿真结果图；

图11为本发明实施例提供的与图10相对应的远场雷达散射截面分布图；

图12为本发明实施例提供的另一种在CP平面波，总近电场分量平均值的仿真结果图；

图13为本发明实施例提供的与图12相对应的远场雷达散射截面分布图；

图14为本发明实施例提供的一种超表面地毯斗篷的设计方法的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

如图1所示，本发明实施例提供一种超表面地毯斗篷的设计方法，包括如下步骤：

S1.根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取目标相位；

S2.设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元；

S3.根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷。

步骤S1中，通过超表面工作频率和交叉圆极化入射波计算出超表面地毯斗篷实现不同功能时所需的目标相位，即突变相位；本实施例采用的超表面工作频率是根据实际需要计算得到的；

步骤S2至步骤S3中，通过设计一种可调超表面单元，然后在可调超表面单元中嵌入二氧化钒，通过切换二氧化钒的介质态和金属态，使可调超表面单元引入的几何相位可调，然后将嵌入二氧化钒的可调超表面单元与步骤S1中得到的目标相位相结合构成超表面地毯斗篷，通过控制二氧化钒的介质态和金属态，使得超表面地毯斗篷的功能、工作频率、入射角度和极化状态都动态可调，同时使构成的超表面地毯斗篷可同时实现动态幻象和隐身的功能，进一步地克服了目前已有的电磁伪装超表面存在的缺点。

优选地，所述根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取目标相位，具体为：

其中，

在实际运用过程中，所需的目标相位基于几何相位原理引入；当线极化(LinearlyPolarized，简记为LP)波入射至具有任意旋转角度的反射型超表面单元时，超表面单元用琼斯矩阵M可表示为：

其中α表示单元旋转角度。

生成的反射波可表示为：

其中x和y表示LP波。

沿-z方向传播的圆极化(CircularlyPolarized，简记为CP)入射波和沿+z方向传播的CP反射波，基于LP波可分别表示为：

其中L和R分别表示左旋圆极化(Left-handed Circularly Polarized，简记为LCP)波和右旋圆极化(Right-handed Circularly Polarized，简记为RCP)波；因此，结合本实施例中的上述公式，当LP波入射至可调超表面单元时，反射波可表示为：

可见，当入射波为CP波时，对于同极化反射波，超表面单元会引入-2α或2α的附加相位，也即几何相位；基于此，只需旋转超表面单元，即可引入所需的突变相位。

优选地，所述设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元，具体为：

在可调超表面单元中嵌入所述二氧化钒；

通过切换所述二氧化钒的介质态和金属态，以使得所述可调超表面单元引入的几何相位可调。

在实际运用过程中，二氧化钒是一种特殊的热致相变材料，当温度低于340K(约为68℃)时，二氧化钒呈现介质态，当温度高于68℃时，二氧化钒会呈现金属态；在太赫兹频段，二氧化钒的介质和金属性能可用等效复介电常数ε

等效复介电常数基于Drude模型可表示为：

其中ω为角频率，ε

电导率基于Drude模型可表示为：

其中

当ε

优选地，所述可调超表面单元由两片所述二氧化钒贴片的顶层金属开口谐振环、中间介质层和底层金属板构成。

在实际运用过程中，可调超表面单元结构如图2所示，其中，图2(A)为可调超表面单元的三维视图；图2(B)为可调超表面单元的侧视图；图2(C)为可调超表面单元的俯视图；图2(D)为当二氧化钒贴片处于介质态或金属态时，金属开口谐振环的近似结构。可调超表面单元由嵌入两片扇形二氧化钒贴片的顶层金属开口谐振环(split ring resonator，简记为SRR)，中间介质层和底层金属板三层结构构成；其中，金属材料为金(Au)，电导率为4.561×107S/m，介质材料为二氧化硅(SiO2)，相对介电常数为3.8。金、二氧化钒和二氧化硅的厚度分别为0.2μm，0.2μm和35μm，即t

通过电磁仿真软件CST Studio对可调超表面单元的性能进行仿真实验，采用频域求解器，在x和y方向上，可调超表面单元设置为Unit cell边界条件，在z方向上，上下端口设置为Floquet端口，端口激励设置为CP波。二氧化钒基于Drude模型进行仿真，ε

为验证可调超表面单元的性能，首先，将二氧化钒贴片①和②分别设置为介质态和金属态。以α2＝-140°，α1以30°为间隔从0°变为180°为例进行仿真。当RCP平面波沿-z方向垂直入射至超表面单元时，同极化反射系数R

接着，将二氧化钒贴片①和②分别设置为金属态和介质态。以α1＝150°，α2以-30°为间隔从0°变为-180°为例进行仿真。当LCP平面波沿-z方向以20°斜入射至超表面单元时，同极化反射系数R

优选地，所述根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷，具体为：

根据所述目标相位和所述可调超表面单元利用PB相位原理，构成超表面地毯斗篷。

在实际运用过程中，幻象指目标物体可以模拟其他物体的电磁行为，隐身指目标物体在自由空间不可见。如图5所示，假设超表面地毯斗篷的高度为h(x)，引入的突变相位为

首先，在z＝z

E

当Ei(z＝z

由于超表面可引入大小为

若虚拟物体为金属材质，对于反射波会存在π的相位跳变，反射波电场分量可表示为：

当Er,cloak(z＝h(x))和Er,virtual(z＝g(x))传播至预设位置时，反射波电场分量可分别表示为：

若要使得超表面模拟虚拟物体的反射场，实现伪装，Er,cloak(z＝z

因此，如果设计的超表面地毯斗篷突变相位满足

基于此，对于我们设计的超表面，当频率为f

当频率为f

根据

优选地，所述根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷之后，还包括步骤：

对所述超表面地毯斗篷进行仿真验证。

在实际运用过程中，可调超表面地毯斗篷的工作原理示意图如图6所示。可调超表面地毯斗篷由30×10个单元组成，当二氧化钒贴片①和②分别为介质态和金属态时，对于f＝0.45THz且θ＝0°沿-z方向垂直入射的RCP平面波，超表面可以实现幻象功能。当二氧化钒贴片①和②分别为金属态和介质态时，对于f＝0.6THz且θ＝±20°沿-z方向斜入射的LCP平面波，超表面可以实现隐身功能。如图7所示，超表面地毯斗篷的横截面为三角形，倾角η为20°。三角形的长度L和高度H约为5638μm和1026μm。h(x)、gi(x)和gc(x)分别表示超表面地毯斗篷和虚拟物体在z方向的高度，其中幻象gi(x)表示以半径为R的圆弧金属凹陷，当实现隐身时gc(x)为0。即当二氧化钒贴片①和②分别为介质态和金属态时，对于f＝0.45THz且θ＝0°沿-z方向垂直入射的RCP平面波，超表面可以实现幻象功能。当二氧化钒贴片①和②分别为金属态和介质态时，对于f＝0.6THz且θ＝±20°沿-z方向斜入射的LCP平面波，超表面可以实现隐身功能。

在CST Studio Suite中对设计的可调超表面地毯斗篷进行仿真实验。此外，为进行对比，还分别仿真了裸露的三角形金属凸块和虚拟物体(包括弧形金属凹陷和金属地面)。仿真实验采用时域求解器，在y方向边界条件设置为周期边界，在x和z方向为开放边界，CP平面波沿-z方向上照射超表面、金属凸起和虚拟物体。当超表面地毯斗篷工作于幻象模式时，总近电场x分量的平均值如图8所示，其中，图8(A)为当RCP平面波入射至弧形金属凹陷的仿真结果图；图8(B)为当RCP平面波入射至裸露的三角形金属凸起的仿真结果图；图8(C)为当LCP平面波入射至超表面地毯斗篷的仿真结果图；图8(D)为当RCP平面波入射至超表面地毯斗篷的仿真结果图。对于f＝0.45THz且θ＝0°沿-z方向垂直入射的RCP平面波在弧形金属凹陷和裸露三角形金属凸起的总近电场分布分别如图8(A)和图8(B)所示。对于f＝0.45THz且θ＝0°沿-z方向垂直入射的LCP和RCP平面波在超表面地毯斗篷的总近电场分布如图8(C)和图8(D)所示。此外，针对图8呈现的四种情况下，仿真得到了对应的远场雷达散射截面(RCS)分布，RCS的极角θ

当超表面地毯斗篷工作于隐身模式时，总近电场x分量的平均值如图10和12所示，其中，图10(A)为当RCP平面波入射至金属地面的仿真结果图；图10(B)为当RCP平面波入射至裸露的三角形金属凸起的仿真结果图；图10(C)为当LCP平面波入射至超表面地毯斗篷的仿真结果图；图10(D)为当RCP平面波入射至超表面地毯斗篷的仿真结果图；图12(A)为当RCP平面波入射至金属地面的仿真结果图；图12(B)为当RCP平面波入射至裸露的三角形金属凸起的仿真结果图；图12(C)为当LCP平面波入射至超表面地毯斗篷的仿真结果图；图12(D)为当RCP平面波入射至超表面地毯斗篷的仿真结果图。对于f＝0.6THz且θ＝±20°沿-z方向斜入射的LCP平面波在金属地面和裸露的三角形金属凸起的总近电场分布分别如图10(A)，图10(B)，图12(A)和图12(B)所示。对于f＝0.6THz且θ＝±20°沿-z方向斜入射的LCP和RCP平面波，超表面地毯斗篷的总近电场分布如图10(C)，图10(D)，图12(C)和图12(D)所示。此外，针对图10和图12呈现的八种情况下，仿真得到了对应的远场雷达散射截面(RCS)分布，RCS的极角θ

根据以上结果可见，通过控制二氧化钒的状态，对于f＝0.45THz且θ＝0°的RCP平面波，超表面地毯斗篷可实现幻象功能，对于f＝0.6THz且θ＝±20°的LCP平面波，超表面地毯斗篷可实现隐身功能。也即基于设计的超表面地毯斗篷实现了动态幻象和隐身的功能。

如图10所示，还提供了一种超表面地毯斗篷的设计系统，包括：获取模块、嵌入模块和构成模块；

所述获取模块，用于根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取目标相位；

所述嵌入模块，用于设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元；

所述构成模块，用于根据所述目标相位和所述可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷。

在实际运用过程中，设置了获取模块、嵌入模块和构成模块；其中，获取模块和嵌入模块分别与构成模块连接；获取模块将根据预设超表面工作频率和交叉圆极化入射波获取的目标相位发送至构成模块中；嵌入模块将设计嵌入二氧化钒的可调超表面单元发送至构成模块中；构成模块将根据目标相位和可调超表面单元，构成超表面地毯斗篷；通过嵌入二氧化钒构成的超表面地毯斗篷可实现动态幻象和隐身的功能。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

另外，在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令及相关的硬件来完成，前述的程序指令可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序指令在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应当理解，本申请中如若使用了“方法”、“装置”、“单元”和/或“模块”，仅是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本申请中如若使用了流程图，则该流程图是用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。