超宽带全极化全角度旋转抛物梯度电磁隐身超表面及其设计方法

摘要

本发明属于雷达散射横截面减缩隐身技术领域，具体为一种超宽带全极化全角度旋转抛物梯度电磁隐身超表面及其设计方法。本发明电磁隐身器件为有限尺寸的旋转抛物梯度数字超表面，由L×M个周期相同但相位不同的种抛物梯度模块（子阵）按照某种随机序列排列构成，包括1位数字超表面，2位数字超表面，3位数字超表面，所述模块由基本单元组成，设计步骤包括：多位旋转抛物梯度数字超表面中各模块的拓扑结构与相位分布的设计，多位旋转抛物梯度数字超表面的超宽带单元结构设计，多位旋转抛物梯度数字超表面建模。本发明设计的电磁隐身超表面具有鲁棒性好，超宽工作带宽，厚度薄，易加工等优异特性。

主权项

一种超宽带全极化全角度旋转抛物梯度电磁隐身超表面的设计方法，其中，全极化、全角度超宽带电磁隐身器件为有限尺寸的旋转抛物梯度N位数字超表面，其中N位数字超表面由L×M个周期完全相同但相位不同的种抛物梯度模块即子阵按照某种随机序列排列构成；所述抛物梯度模块可以由相同结构参数单元通过旋转不同角度来实现，也可以由不同结构参数单元实现，该情形下不同灰度模块代表不同相位；而不同灰度梯度模块有多种定义和表征，如不同灰度模块可以代表抛物梯度模块具有不同的焦距，也可以代抛物梯度模块具有不同的附加相位；N位数字超表面的电磁散射特性和信息由模块以及模块内基本单元的排列方式决定；其特征在于，设计的具体步骤如下：第一步：多位旋转抛物梯度数字超表面中各模块的拓扑结构与相位分布的设计：全极化、全角度旋转抛物梯度数字超表面设计的首要问题是如何设计多位抛物梯度模块，而多位抛物梯度模块设计包括设计、构建模块的拓扑结构与相位分布，具体过程为：在设计模块拓扑结构之前，首先需要确定模块的口径大小，即模块沿x、y方向的单元个数P、Q，即满足条件P≤7，Q≤7；每个模块包含5×5个基本单元；N位数字超表面模块的相位与编码之间关系满足，这里为编码序列，N为数字超表面的位数，与N满足关系，因此编码为的抛物梯度模块相位分布根据如下公式进行计算：(1)其中，p，m和n分别表示梯度模块中单元沿x，y轴的周期和位置信息，F表示焦距，φ(0, 0)表示模块中心的相位，通过F、P与Q可以控制模块上的相位覆盖范围，这里以完整覆盖360°为设计目标，符号‑/+分别对应发散/聚焦两种情形；其中0模块的设计标准是使得式（1）计算的相位变化范围刚好落在0°~360°，构建起始模块的相位分布后，其余模块的相位只需附加特定且大于360°的相位自动减去360°的整数倍即可；第二步：多位旋转抛物梯度数字超表面的超宽带单元结构设计：基于PB相位条件，与超宽带条件来设计超宽带单元结构，这里，、，和、分别表示反射辐射和相位，其中，下标x、y表示入射波的极化方向；采用多模级联的方法，实现超表面单元的超宽带工作，每个正交线极化分量均具有3个谐振模式且两极化下的模式在频谱上交替排列，接力形成宽带，假设x、y两极化下各模式的谐振频率分别为、和以及、和；由此，超宽带超表面单元结构设计如下：由三层金属结构和2层介质板组成；其中，上层金属结构由5个关于y轴镜像对称的垂直金属细贴片组成，中层金属结构由5个关于x轴镜像对称的水平金属细贴片组成，底层金属结构为金属背板，该拓扑结构保证该体系是一个纯反射特系，没有任何传输；上层金属结构在上层介质板上面，中层金属结构在上层介质板与下层介质板之间，底层金属结构在下层介质板背面；设l₁、w₁分别为5个细贴片中中间贴片的长度和宽度，l₂、w₂分别为5个细贴片中位于中间贴片l₁两侧的贴片的长度和宽度，l₃、w₃分别5个细贴片中位于最外侧两个贴片的长度和宽度，相邻两贴片之间的距离相等，记为g；记p_x、p_y分别为超表面单元在x、y方向的长度，也称周期；上、下层介质板的厚度分别记为h₁和h₂；其中，部分结构参数满足条件：p_x=p_y>l₁>l₂>l₃，h₁<h₂，而l₁, w₁, l₂, w₂, l₃, w₃, g,h₁以及h₂的尺寸通过优化组合使得x、y极化下单元各模式的谐振频率、和以及、和交替级联且满足，为保证上述斜率相同且不失一般性，选取7个典型频率满足上述条件，即，，，，，，；第三步：抛物梯度模块与多位旋转抛物梯度数字超表面建模：首先确定多位旋转抛物梯度数字超表面的口径大小L_x×L_y，即超表面沿x、y方向的模块个数L、M，其满足：L_x=L*p_x≥6λ₀，L_y=M*p_y≥6λ₀，λ₀为工作频率处的波长；然后基于计算机产生多位随机编码序列，通过寻根算法和调用各模块的VBA宏，在CST中建立多位旋转抛物梯度数字超表面结构。