[发明专利]一种超宽带全极化隐身随机表面及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，尤其涉及一种超宽带全极化隐身随机表面及其设计方法。

背景技术

隐身技术在现代军事战争中扮演着越来越重要的角色，面对现代军事中越来越复杂的电磁环境，武器平台的隐身性能对其作战生存概率及突防能力起着至关重要的作用。现阶段针对飞行器外形的隐身技术已经比较成熟，基于这种发展现状，飞行器等载体目标的雷达散射截面(Radar Cross-Section，RCS)能够得到理想的缩减。众所周知，雷达隐身技术对于提高武器设备的纵向打深能力和作战生存能力具有举足轻重的作用，一直是军事领域中重要的研究课题。然而，随着雷达探测技术的不断发展，传统的雷达隐身技术已经不再能满足现代军事的需求，迫切地需要对隐身技术进行变革。近年来出现的新型人工电磁材料，为人们改善装备的隐身性能提供了新的思路。利用新型人工电磁材料设计的隐身设备能够实现很好的隐身效果，但是这类隐身器件利用电磁参数渐变的材料改变光的传播路径，一般采用多层人工电磁材料的套层构造而成，所以尺寸较大、难以制备，限制了其在实际工程中的应用。新型人工电磁表面是由新型人工电磁材料的结构单元周期排布构成的超薄阵列平面，是近两年新型人工电磁材料的研究热点。通过调整亚波长单元的结构及排列方式，新型人工电磁表面能够实现新型人工电磁材料类似的奇异电磁现象，而且还能实现电磁波的幅度、相位、极化方式、传播模式等特性的自由调控。在很多应用中，新型人工电磁表面能够替代人工电磁材料实现相同的功能，而且相比于新型人工电磁材料，具有结构轻薄、损耗较小、实现简单、加工容易等优势。因此，新型人工电磁表面凭借着其优越的性能，在隐身领域具有巨大的发展潜能和重要的研究价值。

虽然完美吸波材料相比于传统的吸波材料具有很多优势。首先，该结构单元间的吸收相互独立，吸波率对周期性要求不高，有利于在有限空间内加载该材料；其次，该结构超薄轻便，易于集成，例如可以在不增加重量、复杂度的基础上嵌入到天线中；最后，该结构的加工一般可用介质基板刻蚀而成，成本低、维护方便。然而，完美吸波材料也存在着一定缺陷，理想吸波特性只存在于窄带内，这是由其原理上采用电磁谐振造成的。为了拓展工作带宽，可以利用多层谐振单元的结构，但是这种方法的频带扩展能力有限，并且以牺牲整体的厚度为代价。此外，可以加载集总元件的方法，但是仍然增加了材料厚度，而且增加了制作工艺的复杂度，不利于大规模生产应用。还有一种加载电阻片的方法，虽不显著增加材料整体厚度，但并不能大范围地扩宽吸收带宽。

利用人工电磁表面的电磁参数或反射相位经由随机分布所构成的表面即“随机表面”，它可以实现对针对电磁波的非定向性散射，且有利于后向散射的缩减，具有良好的隐身性能。Liu R，Ji C，Mock J J等人的期刊文献“Random gradient index metamaterials”，Metamaterials，2008International Workshop on IEEE，2008:248-250，其着手研究了新型人工电磁表面(Metasurface)，利用了表面电磁参数的非均匀分布以得到随机分布的梯度的表面折射率，这种表面覆盖在金属板上可以使得反射波呈现漫反射的效应，能够有效的抑制后向散射，但其还需进一步设计可实现宽频带隐身性能优良。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种超宽带全极化隐身随机表面及其设计方法，保证了随机表面具有超宽带隐身特性的同时，随机表面的整体厚度较薄，易于加工；可以自由地和绝大部分厚度的蒙皮、外壳、保护罩等结构进行结合，从而发挥其独特的电性能。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种超宽带全极化隐身随机表面，包括若干单元结构，所述单元结构包括上层金属贴片层、介质基板和下层连续的金属背板；所述上层金属贴片层为刻蚀在表面的多折叠双环贴片；所述随机表面利用微带反射阵天线理论实现对电磁波的非定向散射，随机表面的若干单元结构相同，尺寸不同。

进一步地，介质基板采用高频微波电路板；上层金属贴片层为万字佛印环。

一种超宽带全极化隐身随机表面的设计方法，具体包括以下步骤：

(1)根据所需随机表面的带宽和剖面要求，选择合适的贴片单元，并给出等效电路；

(2)根据相应的传输线的电性能等效电路，得出基本结构的相位公式，等效电抗公式以及相位变化率公式；

(3)通过基本单元的相位公式，等效电抗公式以及相位变化率公式的参数要求，得出随机表面的基本结构的参数范围；