[发明专利]辐射散射调控的1比特可激励数字编码超表面

说明书

提出一种可激励数字编码超表面单元，其为长方体结构，上下表面均为正方形，包括介质板、介质板上表面金属贴片、介质板下表面金属贴片、穿过介质板上下表面的金属探针，以及介质板下表面的SMA接口。通过对超表面单元及其旋转90°单元进行1bit编码，通过棋盘组阵构成1bit可激励数字编码超表面阵列。10dB的单站RCS减缩覆盖4.88‑7.36GHz，最大减缩量超过了30dB，辐射带宽覆盖7.59‑7.64GHz。通过不同的激励条件可以实现线极化、左旋圆极化和单波束、四波束辐射。该方法1bit可激励数字编码超表面拓展了数字编码超表面的工作特性，极大扩展了超表面的应用范围。

技术领域

本发明涉及多功能数字编码超表面设计技术，具体涉及一种1比特(bit)可激 励数字编码超表面。

背景技术

超材料是指具有自然界普通材料所不具备的超常物理特性的亚波长人工复 合周期或非周期结构，其工作频段包括了微波频段、太赫兹频段以及光学频段 等。超表面是一种二维结构的超材料，由于其具有厚度薄、易共形等特点，已 经受到越来越多国家的关注，超表面已经在微波电路及天线隐身技术应用中显 现出了极其重要的价值。2014年“数字超材料”(Tie Jun Cui，Mei Qing Qi，Xiang Wan，Jie Zhao，Qiang Cheng，Light：Scienceand Application.vol.3，no.10，pp.1-8， 2014)的提出为超材料和超表面的发展注入了新的活力，相比传统等效媒质理论 的“媒质超材料”，编码超材料对电磁波的调控功能直接取决于数字化超材料的编 码序列，通过精心设计编码序列即可将其远区散射波束朝着设计方向任意偏转， 同时不同码字单元的切换可以直接通过现场可编程门阵列控制超材料的结构实 现，这一全新理念极大简化了设计流程和操控难度，更为散射波束的调控提供 了有效途径。然而由于有源器件的加载和超材料结构实时变换的影响，导致数 字超材料的工作带宽较窄；同时超材料本身不具有电磁波辐射的功能。为拓展 超材料和超表面的功能，文献“宽带多功能极化可控超表面”(Pin Chieh Wu， Weiming Zhu，Zhong Xiang Shen，Peter Han Joo Chong，Wee Ser，Din Ping Tsai， Ai-Qun Liu，Advanced OpticalMaterials，vol.5，pp.1600938，2017)通过液态金属-镓 铟锡合金的加载，可以实现9.5GHz～18GHz范围的宽带线-交叉线以及线-原始线 极化的控制，但所设计的超表面只是将电磁波极化的转换到另一种交叉线极化 电磁波，超表面本身不具有雷达散射截面积(RadarCross Section，RCS)减缩功能 和电磁波辐射功能。为了减缩天线RCS，文献“基于数字超表面的低散射高增益 Fabry-Perot天线”(Lei Zhang，Xiang Wan，Shuo Liu，Jia Yuan Yin，Qian Zhang，Hao Tian Wu，and Tie Jun Cui，IEEE Transaction on Antenna andPropagation，vol.65， no.7，pp.3374-3383，2017)将部分反射超表面、超表面地与传统微带天线相结合， 组合形成了Fabry-Perot天线，由于口径面积的极具增大，设计的天线具有19dB 的增益；由于不同超表面具有相位差，其RCS在8～12GHz范围内具有5dB以 上的减缩效果，仿真和测试验证了其性能。但该天线由于超表面的加载，其剖 面高度是原始天线的7.5倍，其面积为3.67λ×3.67λ(λ为10GHz对应的波长， λ＝30mm)。从已有的研究可以发现，现有的超表面不具有可辐射的功能，即使 是超表面与天线的结合，也只是简单的组合，超表面单元与天线之间没有直接 的联系。在实际的应用中，多功能低散射可辐射的超表面具有重要的应用场合， 无论隐身机载平台上的无线通信系统亦或是电磁对抗系统，均需要辐射散射调 控的数字编码超表面。

发明内容

为增强战机等平台的整体隐身性能和武器装备平台的利用效率，本发明提 出一种可激励数字编码超表面单元，该单元是长方体结构，其上下表面均为正 方形，包括介质板、介质板上表面金属贴片、介质板下表面金属贴片、穿过介 质板上下表面的金属探针，以及介质板下表面的SMA接口；