一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法技术

本发明专利技术属于电子材料技术领域，涉及一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法。本发明专利技术基于人工电磁超表面，利用其特殊的电磁性能，设计覆盖2π相位的基本单元结构，改变电磁波的波前相位，构成形成涡旋波的电磁结构超表面。并通过超表面引入产生涡旋波束所需的相位补偿，使得反射后的涡旋波束具有“中心空洞”(零辐射)的特征，这一典型特征由涡旋波的相位奇点所引起，从而反射波中心的电场幅值为零，利用这一特征，以极大的减小超表面的RCS，在微波领域具有广阔的发展前景。域具有广阔的发展前景。域具有广阔的发展前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法


[0001]本专利技术属于电子材料
，特别涉及一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法。

技术介绍

[0002]雷达散射截面(RCS)是表征目标散射特性的物理量，是指目标在入射波照射下的等效散射面积。在军事领域中，通过减小目标体对雷达波的散射，降低敌方雷达的探测能力，提高己方装备在战场上的生存能力。RCS减缩技术主要包括外形设计、隐身材料加载、无源隐身和有源隐身，而在目标体外形已经确定的情况下隐身材料加载成为了RCS减缩的最有效手段，因此得到了广泛研究。对于传统隐身材料，由于其本征属性的限制，使得其电磁波的调控特性较为复杂，因此，材料的应用也有一定的局限性。随着超材料/超表面的快速发展，其独特的电磁特性和可控设计两大特性为材料设计带来了新的发展空间，极大拓展了隐身材料的研究。
[0003]近年来，轨道角动量涡旋波(Orbital Angular Momentum,OAM)得到了广泛的应用与研究，轨道角动量与电磁波的空间分布有关，即涡旋电磁波在传输过程中具有角动量，其可通过在平面波的场分布中引入螺旋相位因子来形成。相位因子中，l表示OAM的模式数，φ表示垂直于传播方向的横截面的方位角。具有轨道角动量的波束其辐射方向具有零辐射(“中空”)的特点，这一典型特征由涡旋波的相位奇点所引起，因此造成了幅值零点。由于OAM独特的性质，OAM波束的产生和调控方法也引起了研究者们极大的兴趣。
[0004]轨道角动量的产生方法主要有天线阵列、螺旋相位板和螺旋反射面等方法，天线阵列通过不同的天线单元对入射波产生2π的相位差，从而形成涡旋波束，然而这种方法通常需要复杂的馈电网络，增加了设计难度和设计成本。螺旋相位板的设计思想是波束透过不同高度的相位板表面时，为反射波增加了不同的相位因子，进而形成电磁涡旋波，由于螺旋梯度制作精度的限制，很难得到高质量的OAM波束。OAM广泛应用于新型天线阵列实现波束控制，但是在电磁散射控制领域研究较少，而且在天线阵列设计中OAM均是通过球面波进行相位补偿实现涡旋波。OAM由于相位奇点的零辐射特征，采用平面波进行相位补偿实现涡旋波，具有极低RCS控制的潜力。因此，基于OAM的低RCS超表面结构及其设计方法，具有强的理论基础和新颖性，为RCS减缩技术提供了新的思路和方法。

技术实现思路

[0005]针对上述存在问题或不足，为了实现极低RCS的散射特征难题，并针对现有散射控制手段单一，以及平面波产生涡旋波的特殊性，本专利技术提供了一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法，采用平面波为入射源进行相位补偿，实现目标的极低RCS特征。
[0006]一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法，由入射的电磁平面波经过超表面反射，计算得到超表面的补偿相位，该补偿相位与入射平面波相位相加，实现反射电磁波波前相位的螺旋分布特性。具体包括以下步骤：
[0007]步骤1、设计出具有全反射特性、且反射相位覆盖0～2π的基本单元；
[0008]所述基本单元的平面形状是边长为p的正方形，从下至上依次包括层叠的底层金属层、中间介质层和顶部金属图案层；基本单元的底部层金属层和中间介质层具有相同的物理尺寸，顶部的金属图案层为正方形贴片居中堆叠至中间介质层上，基本单元的外沿与正方形贴片的外沿构成一个方环；通过以顶部金属图案层的正方形边长尺寸为变量进行优化，构成M种基本单元来实现产生轨道角动量OAM所需的相位范围。
[0009]基本单元根据产生涡旋波对基本单元结构的幅值和相位要求，选择M种，M≥4，使其能满足幅值大于等于0.8，且能实现360
°
的相差。
[0010]所述底部金属层和顶部的金属图案层的金属均由反射率≥90％的金属材料构成，中间介质层由介电常数2.2
‑
4.3的损耗材料(如4.3的FR
‑
4)构成。
[0011]步骤2、根据步骤1确定的M种实现涡旋波的基本单元，以整个超表面的中心点为原点均分为M个区域(以确保相邻两种基本单元之间的相位梯度满足360
°
/M或
‑
360
°
/M的关系)；并将整体超表面的平面结构划分为m
×
n(m≥15，n≥15)个以矩阵方式排布的基本单元。
[0012]根据自由空间的亥姆霍兹方程推导出沿电磁波传输方向传播的涡旋波的电场表达式，其中涡旋波束的相位作为超表面的输出相位，入射平面波场源作为超表面的输入相位，进而得到超表面每个基本单元所需要的补偿相位为：
[0013][0014]其中l为轨道角动量模式数，取值为整数，φ
mn
是超表面第m行第n列基本单元的补偿相位；x和y是以超表面的中心为原点构建坐标轴，对应每个基本单元的横/纵坐标。
[0015]步骤3、根据补偿相位公式在MATLAB中进行程序设计，建立所设计的M种基本单元的相位和补偿相位之间的关联，并最终得到m
×
n个基本单元的位置关系(即得到整个超表面所有的基本单元的排布位置)，从而对所有的基本单元进行排布，即得到基于OAM的低RCS超表面结构。
[0016]本专利技术基于人工电磁超表面，利用其特殊的电磁性能，设计覆盖2π相位的基本单元结构，改变电磁波的波前相位，构成形成涡旋波的电磁结构超表面。本专利技术通过超表面引入产生涡旋波束所需的相位补偿，使得反射后的涡旋波束具有“中心空洞”(零辐射)的特征，这一典型特征由涡旋波的相位奇点所引起，从而反射波中心的电场幅值为零，利用这一特征，可以极大的减小超表面的RCS。
[0017]综上所述，本专利技术采用平面波为入射源进行相位补偿，实现目标的极低RCS特征。
附图说明
[0018]图1为本专利技术基本单元的结构示意图；
[0019]图2为实施例垂直入射下，8个基本单元结构的反射相位曲线；
[0020]图3为实施例中所有电磁超表面反射单元的补偿相位示意图；
[0021]图4为实施例的超表面结构示意图；
[0022]图5为理论的l＝
‑
1的轨道角动量远场方向图；
[0023]图6为实施例两种极化条件下与同尺寸的金属背板在垂直入射时单站RCS仿真结果对比。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。
[0025]本实施例中：M＝8。底部金属层和中间介质层的长和宽均为6mm，介质层的厚度为1mm，底部金属层和顶部金属层均由电导率为5.8
×
107S/m的金属铜构成，介质层由介电常数为4.3，损耗为0.025的FR
‑
4构成，结构尺寸为210mm
×
210mm。
[0026]一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法，具体步骤如下：
[0027]步骤1：首先，设计出具有全反射特性的初始单元，在CST中进行结构优化。
[0028]其中基本单元结构包括底本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于OAM的低RCS超表面结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设计出具有全反射特性、且反射相位覆盖0～2π的基本单元；所述基本单元的平面形状是边长为p的正方形，从下至上依次包括层叠的底层金属层、中间介质层和顶部金属图案层；基本单元的底部层金属层和中间介质层具有相同的物理尺寸，顶部的金属图案层为正方形贴片居中堆叠至中间介质层上，基本单元的外沿与正方形贴片的外沿构成一个方环；通过以顶部金属图案层的正方形边长尺寸为变量进行优化，构成M种基本单元来实现产生轨道角动量OAM所需的相位范围；基本单元根据产生涡旋波对基本单元结构的幅值和相位要求，选择M种，M≥4，使其能满足幅值大于等于0.8，且能实现360
°
的相差；所述底部金属层和顶部的金属图案层的金属均由反射率≥90％的金属材料构成，中间介质层由介电常数2.2
‑
4.3的损耗材料构成；步骤2、根据步骤1确定的M种实现涡旋波的基本单元，以整个超表面的中心点为原点均分为M个区域；并将整体超表面的平面结构划分为m
×
n个以矩阵方式排布的基本单元，m≥15，n≥15；根据自由空间的亥姆霍兹方程推导出沿电磁波传输方向传播的涡旋波的电场表达式，其中涡旋波束的相位作为超表面的输出相位，入射平面波场源作为超表面的输入相位，进而得到超表面每个基本单元所需要的补偿相位为：其中l为轨道角动量模式数，取值为整数，φ

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海燕，严颖煜，刘倩，姚鑫，邓龙江，周佩珩，梁迪飞，谢建良，张国瑞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：