超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构及设计方法，由8种PCM单元采用随机编码的形式在二维平面上排列构成；8种PCM单元的相位响应由低到高依次相差22.5°，记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”；每种PCM单元均为双箭头形谐振器，包括短截线谐振器和V型谐振器；通过调整双箭头形谐振器的旋转角度以及V型谐振器中箭头长度，实现交叉偏振反射的相位和振幅的控制。采用具有宽带极化转换性质的单元构成编码，不仅能将电磁波散射到各个方向，还能将入射电磁波转换为与之呈交叉极化的另一种线极化出射波。因而能显著缩减目标的雷达散射截面，具有很好的宽带隐身效果。

Ultra wideband polarization insensitive 3-bit random code super surface structure and design method

【技术实现步骤摘要】
超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构及设计方法
本专利技术涉及新型人工电磁材料，特别是一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构及设计方法。
技术介绍
新型人工电磁材料(metamaterials)是一种具有广泛可调电磁性能的亚波长周期性排布的人工复合材料/结构。通过超材料人们可以实现从“双正”到“双负”的等效介电常数和磁导率调控，进而实现负折射率、逆多普勒效应、完美透射等多种反常效应。近年来，研究者在超材料的机理研究和实际应用等方面取得了长足的进展。新型人工电磁表面(metamaterials)是由亚波长单元结构组成的二维超薄平面阵列，是新型人工电磁材料近年来的研究热点。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反射/传输相位、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电磁波调控功能，而且相比于新型人工电磁材料，新型人工电磁表面的厚度远小于工作波长，结构轻便，容易制备，损耗相对更低。2014年，东南大学崔铁军教授等又提出了一种编码新型人工电磁表面的概念。这种新型人工电磁表面由宽带内相位差保持基本恒定的单元组成，按照编码位数区分，有1bit、2bit、3bit新型人工电磁表面等。例如，2bit编码新型人工电磁表面是由反射相位按90°递增的四种基本单元组成，对应于“00”，“01”，“10”，“11”的编码，其他比特的编码表面依此类推。通过选取编码序列，能够实现对电磁波的任意控制。采用编码新型人工电磁表面的设计方法来实现具有漫反射效应的随机表面，无需从等效媒质参数的角度出发，只需通过设计相应的单元编码序列，就可以实现电磁波的自由调控。在以往的随机编码超表面的设计中，虽然有效地减少了雷达散射截面，但是采用超表面结构来实现超宽带雷达散射截面缩减仍然是一个巨大的挑战。申请号为201410145132.3的专利公开了一种多比特电磁编码超表面，是由一定频段内相位差保持基本稳定的有限种的电磁超材料单元按照一定的规律排列而成，可由相位响应由低到高依次相差90°的四种超表面基本单元（分别记为“00”，“01”，“10”，“11”），按一定的编码规律排布可构成2-bit电磁编码超表面；由相位响应由低到高依次相差45°的八种超表面基本单元（分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”），按一定的编码规律排布可构成3-bit电磁编码超表面，依次类推。采用多比特电磁编码超表面，无需从等效媒质的角度来设计，而只需设计相应的编码次序，就可以调控电磁波，实现预想的各种功能，具有易于设计、易于加工、工作带宽宽等优点。然而，其仍然存在带宽不够宽的问题，如在申请号为201410145132.3的专利中，其工作带宽则为7.5-15GHz。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构，该超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构采用具有宽带极化转换性质的单元构成编码，不仅能将电磁波散射到各个方向，还能将入射电磁波转换为与之呈交叉极化的另一种线极化出射波。因而该隐身表面能够显著地缩减了目标的雷达散射截面，降低了雷达侦测到的可能性，具有很好的宽带隐身效果。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构，由8种PCM单元采用随机编码的形式在二维平面上排列构成。8种PCM单元的相位响应由低到高依次相差22.5°，分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”。每种PCM单元均为双箭头形谐振器，包括短截线谐振器和对称设置在短截线谐振器两端的V型谐振器。通过调整双箭头形谐振器的旋转角度以及V型谐振器中箭头长度，实现交叉偏振反射的相位和振幅的控制。8种PCM单元均采用周期长度为p的方式在二维平面随机编码排列构成。周期长度p取值4~6mm。8种PCM单元均采用无固定周期的方式在二维平面随机编码排列构成。通过调节每种PCM单元中的介质层厚度，进而控制反射波的相位和振幅。一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构的设计方法，包括如下步骤。步骤1，建立初始PCM单元：通过优化设计和仿真，建立初始PCM单元。在初始PCM单元中，短截线谐振器与x轴之间的夹角为β，V型谐振器中箭头长度为a。V型谐振器中单边箭头与短截线谐振器的夹角为α，短截线谐振器的长度为b，PCM单元采用等宽设计，宽度为c。其中，β已知，α、b和c，通过优化设计得出。步骤2，选取参考反射相位：选取中心频率处的交叉偏振反射相位作为设计参考。步骤3，拟合相位随长度a变化曲线：以步骤2选取的参考反射相位为中心，进行数次样条插值，用matlab拟合交叉偏振反射相位随长度a变化的曲线。步骤4，选择8个PCM单元的反射相位：将8种PCM单元“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”的相位响应按从低至高依次相差22.5°的方式进行选择。步骤5，求解前4个PCM单元的结构尺寸：根据步骤4选择的反射相位，以及步骤3拟合的相位随长度a变化曲线，得到前4个PCM单元分别所对应箭头长度a，其余α、b和c尺寸保持不变。步骤6，获取后4个PCM单元的结构尺寸：将步骤5中得到的4个PCM单元分别旋转90°，得到后4个PCM单元的结构尺寸。步骤7，随机编码：在二维平面上，采用固定周期长度p或无固定周期的方式，将步骤5和步骤6共同获取的8个PCM单元进行随机编码排列，排列过程中，每个PCM单元的结构尺寸保持不变，但每个PCM单元的旋转角度γ则随机。步骤1中，V型谐振器中单边箭头与短截线谐振器的夹角为α为80°。步骤2中的中心频率选取为30GHz。步骤4中，8种PCM单元“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”的交叉偏振反射相位分别为0、π/8、π/4、3π/8、π/2、5π/8、3π/4和7π/8。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术所提出的极化转换超表面单元具有超宽带相移，高极化转换率，而且结构简单易调节。2、本专利技术所提出极化不敏感的3-bit随机编码超表面结构能显著减小目标的雷达散射截面，具有良好的宽带隐身效果。3、本专利技术所提出的周期的长度的改变的讨论有助于优化整体结构设计，以达到更宽带宽的RCS缩减。本专利技术能实现在18.3GHz-42.2GHz范围内10dB以上的超宽带RCS降低。4、本专利技术所提出的编码和位置均随机的讨论提供了一种新的随机思路，有助于优化整体结构设计，以达到更宽带宽的RCS缩减。附图说明图1显示了本专利技术中PCM单元的侧视图。图2显示了本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构，其特征在于：由8种PCM单元采用随机编码的形式在二维平面上排列构成；8种PCM单元的相位响应由低到高依次相差22.5°，分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”；/n每种PCM单元均为双箭头形谐振器，包括短截线谐振器和对称设置在短截线谐振器两端的V型谐振器；通过调整双箭头形谐振器的旋转角度以及V型谐振器中箭头长度，实现交叉偏振反射的相位和振幅的控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构，其特征在于：由8种PCM单元采用随机编码的形式在二维平面上排列构成；8种PCM单元的相位响应由低到高依次相差22.5°，分别记为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”；
每种PCM单元均为双箭头形谐振器，包括短截线谐振器和对称设置在短截线谐振器两端的V型谐振器；通过调整双箭头形谐振器的旋转角度以及V型谐振器中箭头长度，实现交叉偏振反射的相位和振幅的控制。


2.根据权利要求1所述的超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构，其特征在于：8种PCM单元均采用周期长度为p的方式在二维平面随机编码排列构成；周期长度p取值4~6mm。


3.根据权利要求1所述的超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构，其特征在于：8种PCM单元均采用无固定周期的方式在二维平面随机编码排列构成。


4.根据权利要求1所述的超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构，其特征在于：通过调节每种PCM单元中的介质层厚度，进而控制反射波的相位和振幅。


5.一种超宽带极化不敏感的3比特随机编码超表面结构的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，建立初始PCM单元：通过优化设计和仿真，建立初始PCM单元；在初始PCM单元中，短截线谐振器与x轴之间的夹角为β，V型谐振器中箭头长度为a；V型谐振器中单边箭头与短截线谐振器的夹角为α，短截线谐振器的长度为b，PCM单元采用等宽设计，宽度为c；其中，β已知，α、b和c，通过优化设计得出；
步骤2，选取参考反射相位：选取中心频率处的交叉偏振反射相位作为设计参考；
步骤3，拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴会娟，赵永久，邓宏伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32