一种多功能超表面及隐身天线制造技术

本发明专利技术公开一种多功能超表面及隐身天线，该超表面的单元依次五层金属层和介于金属层间的四层介质基板，其中第一、第二、第四、第五金属层分别设有两条平行等长的矩形金属贴片；第一和第二金属层的矩形金属贴片长度不同，其他参数相同，第四和第五金属层也只有贴片长度不同；第二与第四金属层的金属贴片相互正交；第三金属层上设有一个C形金属开口环；该超表面在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现雷达散射截面缩减功能。本发明专利技术可以独立实现高性能天线、波束偏折和雷达散射截面缩减三种功能，可以应用于实现某些特定环境下的隐身天线，具有电尺寸小、高增益等优点。高增益等优点。高增益等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能超表面及隐身天线


[0001]本专利技术属于新型人工电磁材料、无线通信领域，具体涉及一种集成透射、反射、雷达散射截面缩减多功能的超表面，以及实现宽带、低旁瓣的隐身天线。

技术介绍

[0002]随着研究人员对超材料的不断探索，也发现了超材料的一些不足。由于三维的超材料结构复杂、制造成本高、体积庞大且损耗高等缺点，极大地阻碍了它的广泛应用。直到2011年，一种被定义为超表面的新型人工微结构被美国哈佛大学的Capasso教授团队首次提出，它是三维超材料的二维化形式，通过在二维平面上空间排布厚度很薄的亚波长尺寸结构得到。通过在媒质界面上引入相位的不连续性，打破了经典的斯涅尔定律的应用局限，并提出了广义斯涅尔定律，该定律为人们设计电磁波调控器件提供了新的思路。随着对超表面的研究和认知不断加深，超表面的研究和发展也出现新的趋势，更加关注于小型化、共面、多功能、可重构、集成化和数字化等。超表面不仅在电磁学、光学等领域引起广泛关注，同时也成为材料学、声学、信息科学及相关交叉学科的研究热点。这种平面化超表面的加工和制备可以与现代的半导体技术和印刷电路版技术等成熟技术完美兼容，大大降低了器件的加工制备成本和剖面大小，也减少了由于传播波程而引起的损耗，极大地克服了超材料在工程应用中的缺陷。
[0003]各向异性超表面单元在不同的电磁波激励下表现出不同的电磁响应，而当特定极化和特定传播方向的电磁波激励超表面时，超表面可以对电磁波进行独立调控，且不产生相互影响。由于具有高度的极化和入射方向独立性，各向异性超表面可以集成多种功能，简化了多功能电磁器件的设计难度。
[0004]各向异性超表面已被应用于独立调控两个正交极化下的反射/透射电磁波，如轨道角动量发射器，偏振分束器等。但已有文献均局限于超表面的相位调控，至今还未见具有宽带和任意调幅和调相特点的集成反射/透射的多功能超表面。现有技术还存在电尺寸大、窄带、效率低和不能调控幅度等缺点。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种集成透射、反射、雷达散射截面缩减多功能的超表面，以及提供一种低副瓣、高增益，且重量轻、成本低和易组装集成的超表面隐身天线。
[0006]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种多功能超表面，所述超表面的单元依次包括第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第三介质基板、第四金属层、第四介质基板和第五金属层；所述第一金属层、第二金属层、第四金属层、第五金属层分别设有两条平行的矩形金属贴片，两条矩形金属贴片的长度相同；所述第一金属层和第二金属层的矩形金属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第四金属层和第五金属层的矩形金
属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第二金属层与第四金属层的矩形金属贴片相互正交；所述第三金属层上设有一个C形金属开口环；所述超表面在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现雷达散射截面(RCS)缩减功能；其中x方向为第一金属层上金属贴片长度方向，y方向为第一金属层上金属贴片宽度方向。
[0008]进一步地，通过改变C形金属开口环的开口旋转角度调控透射幅度，通过改变C形金属开口环的开口大小调控透射相位。
[0009]进一步地，所述C形金属开口环的开口大小在2
°
到84
°
，开口旋转角度在
‑
45
°
到45
°
。
[0010]进一步地，通过改变第一金属层的矩形金属贴片的长度调控正向入射的反射相位；通过改变第五金属层的矩形金属贴片的长度调控反向入射的反射相位。
[0011]进一步地，所述第二金属层和第四金属层的矩形金属贴片的长度为单元周期长度，所述第一金属层和第五金属层的矩形金属贴片的长度小于单元周期长度。
[0012]进一步地，所述第一金属层的矩形金属贴片在x方向上组成超单元，超单元中各单元的金属贴片长度不同；在y方向上排布相同。
[0013]进一步地，RCS缩减功能通过反射相位差180
°
的两种单元分别排布组成两种超单元，再由两种超单元随机排布成阵列实现，其中通过改变第五金属层的矩形金属贴片的长度得到相位相差180
°
的两种单元。
[0014]一种隐身天线，包括喇叭馈源和所述的超表面，喇叭馈源位于超表面的焦点处。
[0015]有益效果：本专利技术所提出的各向异性超表面单元结构具有独立调控反射和透射系数的能力，当x极化的电磁波从正向入射时，反射相位可以通过第一金属层的矩形贴片的长度控制，并保持0.95以上的反射效率；当y极化的电磁波从正向入射且频率时，透射相位可以通过第三金属层的C形金属开口环的开口大控制，而透射幅度可以通过第三金属层的C形金属开口环的开口的旋转角度控制，同时透射相位和幅度之间相互独立控制；根据单元结构的对称性，当y极化的电磁波从背向入射时，反射相位可以通过第五金属层的矩形贴片的长度控制，并保持0.95以上的反射效率。与现有技术相比，本专利技术可以独立实现高性能天线、波束偏折和雷达散射截面缩减三种功能，可以应用于实现某些特定环境下的隐身天线。天线的副瓣可以根据预设值控制在
‑
25dB以下，满足某些特殊天线要求，同时天线的工作频段宽，可以在9
‑
14GHz都保持高增益。与现有技术相比，本专利技术还具有更小的电尺寸、高增益、高效率、重量轻、成本低和易组装集成等优点。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例的超表面单元结构示意图，其中，(a)为单元结构，(b)为第一金属层结构，(c)为第二金属层结构，(d)为第三金属层结构。图中，1、3、5、7、9分别对应第一至第五金属层，2、4、6、8分别对应第一至第四介质基板。
[0017]图2为本专利技术实施例的超表面功能示意图。其中，(a)为低副瓣高增益性能示意，(b)为波束偏折示意，(c)为雷达散射截面缩减示意。
[0018]图3为本专利技术实施例的超表面单元的透射和反射系数。其中，(a)为在x方向极化入射波的反射系数和透射系数随频率变化的仿真结果；(b)为反射幅度和相位在10GHz时与参
数l1的关系；(c)为在y方向极化入射波的透射和反射系数与频率的关系；(d)为在10GHz和α＝2
°
条件下，t
xy
的相位和振幅作为β的函数从
‑
45
°
到45
°
变化关系；(e)为在10GHz和β＝
±
45
°
下，t
xy
的相位和振幅作为α的函数从2
°
到84
°
变化关系；(f)为在y极化电磁波入射时不同α参数对应的透射相位Arg(t
xy
)。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能超表面，其特征在于，所述超表面的单元依次包括第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第三介质基板、第四金属层、第四介质基板和第五金属层；所述第一金属层、第二金属层、第四金属层、第五金属层分别设有两条平行的矩形金属贴片，两条矩形金属贴片的长度相同；所述第一金属层和第二金属层的矩形金属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第四金属层和第五金属层的矩形金属贴片距离单元中心的位置以及贴片宽度相同，但长度不同；所述第二金属层与第四金属层的矩形金属贴片相互正交；所述第三金属层上设有一个C形金属开口环；所述超表面在y极化电磁波正向入射时实现透射功能，在x极化电磁波正向入射时实现波束偏折功能，在y极化电磁波反向入射时实现雷达散射截面(RCS)缩减功能；其中x方向为第一金属层上金属贴片长度方向，y方向为第一金属层上金属贴片宽度方向。2.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，通过改变C形金属开口环的开口旋转角度调控透射幅度，通过改变C形金属开口环的开口大小调控透射相位。3.根据权利要求1所述的多功能超表面，其特征在于，所述C形金属开口环的开口大小在2
°
到84
°

【专利技术属性】
技术研发人员：伍瑞新，李锡明，郗翔，陈建，吴华兵，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：