[实用新型]一种反射型超宽带低RCS相位梯度超表面

说明书

本发明涉及一种二维旋转排布的反射型相位梯度超表面结构，由四个相同的超单元块按顺时针旋转排布组成，其中超单元块由四个形状相同但尺寸不等的单元按照4×4排列组成，每个单元由介质基板和印制在介质板上下表面的两层金属构成，上层金属由两个同心圆环以及内圆环中的一个十字形贴片组成，下表面为一块金属反射板。圆环间距和十字贴片宽度保持不变，通过调整圆环的内径使得相邻尺寸单元之间具有稳定的反射相位差，将单元按一个方向重复排列引入相位梯度。该结构可将垂直入射的电磁波均匀散射到四个方向而降低其法向的反射波能量，具有缩减超宽频带内RCS的性能，由于正交方向的对称性，该结构对极化不敏感。适用于雷达天线的隐身设计。

技术领域

本发明属于电磁超材料技术。

背景技术

随着电子信息技术的快速发展，武器装备和作战平台的隐身性能越来越得到重视。具有优良隐身性能的装备在现代军事对抗中被探测发现的概率大大下降，被发现的时间延长了，生存能力也大幅增加。目标隐身的实质是通过改变其结构外形或给其增加异性材料，将雷达发射的电磁波吸收或散射到其他方向，使来波方向的反射信号能量变低，从而加大雷达探测的难度。为表征目标的散射特性提出了雷达散射截面积(Radar CrossSection，RCS)的概念，即雷达接收机处的反射功率密度与目标处的入射波功率密度之比。散射体的RCS越小，被探测的距离越小，其隐身性就越强。如当目标RCS缩减10dB时，雷达对该目标的探测距离缩短到原来的55％左右。

电磁超材料(Metamaterials)是一种人工设计的由亚波长尺寸的周期阵列单元构成的新型电磁材料，其拥有许多不同于自然界中常规材料的超常物理特性。电磁超表面(Metasurface)是超材料结构的二维形式，相位梯度超表面(Phase GradientMetasurface，PGM)作为电磁超材料的一个重要研究内容，其缩减RCS原理是通过引入不同的相位突变单元，当电磁波垂直入射到存在相位梯度的超表面时会发生表面波耦合或者电磁波的异常反射，从而实现正向反射能量的降低。相较于传统隐身材料如吸波材料等，超表面结构具有剖面低、重量轻、损耗小、加工简单等特点，并且相位梯度超表面结构能够灵活调控电磁波如改变电磁波的极化模式和传播方向，因此采用相位梯度超表面设计来缩减目标的RCS，具有一定的使用价值。

目前设计相位梯度的方法主要有三种：(1)改变角度，如2011年哈佛大学的研究学者Yu等人首先提出了相位梯度超表面的概念，设计了一种V型结构的相位梯度超单元，主要通过改变结构臂长和两臂之间的夹角使得反射相位覆盖了2π范围，相邻单元的反射相位差为π/4，共引入8个单元构成了相位梯度超表面，实现了对电磁波的异常反射效果；此外，2014年空军工程大学李勇峰等人设计了一种二维非色散高效相位梯度超表面，通过在面内旋转结构单元实现相位变化从而对电磁波实现调控；(2)改变结构尺寸，如2012年复旦大学周磊教授课题组等人设计了一种H型单元，通过改变贴片的臂长，并在一维方向上排布引入梯度实现了在宽频带内的电磁波异常反射效果；(3)加载有源器件，通过在单元结构上加载电阻、二极管等，改变器件的电参数可有效改变反射相位和反射系数，如2013年Hong等人加载变容二极管并通过调节其电容值来改变单元的反射相位，实现对电磁波束的偏转效果。

现有技术中，超表面只能在较窄的频段内实现对电磁波的调控，反射率不是很理想，对极化波的敏感度较高。

发明内容

为了解决以上技术存在的不足，本发明基于相位梯度超表面对电磁波的异常反射作用，提出了一种反射型超宽带低RCS相位梯度超表面，与同尺寸的PEC板相比，具有更低的散射截面积，在宽频带范围内具有良好的电磁隐身效果。

本发明采取的技术设计方案为：

一种反射型超宽带低RCS相位梯度超表面，包括四个相同的超单元块，按顺时针旋转排布；其中超单元块由四个形状相同但尺寸不等的单元按照4×4的线性形式排列组成，每个单元由介质基板和印制在介质基板上下表面的两层金属构成。