一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法，涉及电磁超表面设计技术领域，包括若干个呈矩形周期排布的有源反射/透射结构单元，每个结构单元包括矩形介质板、设置在介质板上下表面的双层谐振结构、设置在介质板中间相互正交排布的偏置馈电层、金属反射板；谐振结构包括上下两层对称的H形金属贴片，并由开关PIN开关管在H形金属贴片中心连接；反射板与谐振结构下表面间隔一定距离；本发明专利技术能够同时实现雷达散射截面积减缩(10.42

【技术实现步骤摘要】
一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法


[0001]本专利技术涉及电磁超表面设计
，具体涉及一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法。

技术介绍

[0002]在通信系统中，天线是重要的一环。作为信号的发送者和接收者，它是现阶段电子设备当中用来发射以及接收无线通信电信号的重要装置。天线是通过辐射和被辐射无线电波来进行工作，实现信息在空间中的传递。天线的发展最早可追溯到19世纪末赫兹建立的第一个线天线系统(偶极子
‑
谐振环)。二战前夕，随着微波速调管及磁控管的诞生，微波雷达问世，厘米波得到了普及。20世纪30年代初期，面天线得到了极大的发展，同期出现了介质谐振天线、缝隙天线、螺旋天线等。同时，天线系统构成也从单天线过渡到多天线阵列。单天线系统受限于波束宽度大、增益低、灵活性差，已无法满足民用基站和军用雷达需求。相控阵技术作为近年来发展的主流备受青睐。相控阵技术是指通过电路调节辐射单元的辐射相位，使电磁波在空域相干，实现波束重定向。相控阵天线系统具有波束宽度窄、增益高、扫描灵活性强等特点。但传统相控阵系统除作为辐射器的天线以外，还包括衰减器、功分器、移相器等后级射频电路，复杂度与成本较高。超表面技术作为近年来的新兴技术，通过调节透射/反射波的相位及幅度实现波束扫描功能，具有易于部署、成本低、能耗低和可编程等优势。
[0003]天线系统遍布在新时代装备系统各处，其存在于导航系统、雷达系统、通信系统、遥测遥感系统、电子侦察及对抗系统等。作为强散射源，在电子战的时代背景下，战车、战机和船舰上的天线平台除辐射特性需求以外，其散射性能更是决定了其战时生存能力，以雷达散射截面积(RCS)衡量。低RCS天线系统也成为各国研究的热点。近些年来人们对于低散射相控阵辐射相位调控技术天线平台做了大量的研究，总结如下：
[0004]阵列天线无源RCS减缩技术，主要包括电阻吸波器减缩技术和棋盘排布表面减缩技术。电阻吸波器减缩技术是通过设计频率选择表面并加载电阻元件，利用电阻元件将耦合到频率选择表面上的电流消耗吸收从而实现RCS减缩；棋盘排布表面减缩技术则是将对角线对称等频率选择表面结构按顺时针或逆时针方向依次旋转90
°
组成的4个两两反射相位相反的单元，并放置于天线四周，在电磁波垂直入射方向相位相消从而达到RCS减缩目的。然而上述方法均需要外置数控移相器等相位调控电路来实现对辐射波相位的调控从而达到RCS减缩的效果。
[0005]阵列天线有源RCS减缩技术，是指将辐射器或者天线载体平台加载有源器件实现对反射波相位的调制，使反射波在空间相干，实现RCS的减缩。例如，将阵列天线周围敷设谐振环并加载变容二极管，实现对反射波的相位调控并完成RCS减缩。此种方法实现对反射波的相位调控实现RCS减缩，但上文所提及天线RCS减缩及辐射相位调控一体化仍未实现。
[0006]综上，天线RCS减缩与辐射相位调控一体化的问题亟需解决。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种低散射宽带有源编码超表面及其设计方法，所设计的有源编码超表面能够实现天线RCS减缩与辐射相位调控一体化，针对该超表面的设计方法能够设计获得满足对入射波散射、辐射波相位调控的功能需求，且能实现RCS缩减的低散射宽带有源编码超表面
[0008]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种低散射宽带有源编码超表面，包括若干个呈矩形周期排布的结构单元，每个结构单元包括矩形介质板、第一谐振结构、第二谐振结构、偏置馈电层以及金属反射板。
[0009]其中第一谐振结构和第二谐振结构分设与于矩形介质板的上下表面；第一谐振结构和第二谐振结构均为H形金属贴片，二者在矩形介质板的上下表面上对称设置，并由开关PIN开关管在两H形金属贴片中心连接。
[0010]偏置馈电层设置于矩形介质板的中间位置处。
[0011]金属反射板设置于第二谐振结构之下，二者相隔设定距离。
[0012]优选地，低散射宽带有源编码超表面用于针对工作频段10.42—12.71GHz内垂直入射TE极化波实现7
‑
16dBsm的RCS减缩。
[0013]优选地，选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向；其中，作为沿y方向镜像对称的结构，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l1，宽度为w1；两个y方向单臂的中央均沿x方向开设扼流槽，扼流槽长边沿x方向，长度同样为w1，宽度为w
s
；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l2，宽度为w2，PIN开关管焊盘空隙位于H形金属贴片正中心并沿y方向分布，间距为w
gap
。
[0014]优选地，矩形介质板采用Taconic TLX
‑
8材料，其厚度为h
sub
，排列周期间隔为w
sub
，介电常数为2.55，损耗正切值为0.0017。
[0015]优选地，金属反射板与第二谐振结构下表面的间隔为h。
[0016]优选地，金属反射板的材料为铜。
[0017]本专利技术另外一个实施例还提供了一种低散射宽带有源编码超表面的设计方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1：根据如权利要求1的一种低散射宽带有源编码超表面结构，建立超表面模型；其中针对第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸进行如下设计。
[0019]确定中心工作频率f，根据中心工作频率f以及矩形介质板的参数，根据公式(1)、(2)确定有效谐振结构长度W，其中矩形介质板的参数包括矩形介质板的相对介电常数ε
r
，矩形介质板的等效介电常数ε
e
和矩形介质板的厚度h
sub
；
[0020][0021][0022]其中，c为光在真空中的传播速度，W为有效谐振结构长度。
[0023]确定有效谐振结构长度W之后，设定第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸，使其满足公式(3)：
[0024]W＝l1‑
w2+2l2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0025]其中选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l1，宽度为w1；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l2，宽度为w2；即所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸包括l1、w2、l2。
[0026]步骤2：利用步骤1设计的超表面模型，采用入射波先后两次通过谐振结构，推得谐振结构在透射状态下，单程透射波相位差若满足公式(4)，则所设计第一谐振结构和第二谐振结构的尺寸为最终所求，否则返回步骤1重新设计直至获得最终所求；
[0027][0028]其中，和分别为PIN开关管截止状态1和导通状态0的反射相位。
[0029]有益效果：
[0030]1.本专利技术提供了一种低散射宽带有源编码超表面，具体部件包括：矩形介质板、设置在介质板上下表面的双层谐振结构、金属反射板；当外界TE极化入射波入射并通过超表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低散射宽带有源编码超表面，其特征在于，包括若干个呈矩形周期排布的结构单元，每个结构单元包括矩形介质板、第一谐振结构、第二谐振结构、偏置馈电层以及金属反射板；其中第一谐振结构和第二谐振结构分设与于所述矩形介质板的上下表面；第一谐振结构和第二谐振结构均为H形金属贴片，二者在矩形介质板的上下表面上对称设置，并由开关PIN开关管在两H形金属贴片中心连接；所述偏置馈电层设置于所述矩形介质板的中间位置处；所述金属反射板设置于第二谐振结构之下，二者相隔设定距离。2.如权利要求1所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，所述低散射宽带有源编码超表面用于针对工作频段10.42—12.71GHz内垂直入射TE极化波实现7
‑
16dBsm的RCS减缩。3.如权利要求1所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，选取PIN开关管电流导通方向为x方向，与x方向垂直的为y方向；其中，作为沿y方向镜像对称的结构，单个H形金属贴片沿y方向单臂长度为l1，宽度为w1；两个y方向单臂的中央均沿x方向开设扼流槽，扼流槽长边沿x方向，长度同样为w1，宽度为w
s
；H形金属贴片沿x方向分布的横臂长度为l2，宽度为w2，PIN开关管焊盘空隙位于H形金属贴片正中心并沿y方向分布，间距为w
gap
。4.如权利要求1或2所述的一种低散射宽带有源编码反射/透射超表面，其特征在于，所述矩形介质板采用Taconic TLX
‑
8材料，其厚度为h
sub
，排列周期间隔为w
sub
，介电常数为2.55，损耗正切值为0.0017。5.如权利要求1或...

【专利技术属性】
技术研发人员：金城，陈航宇，曹凯淇，尹丽媛，张彬超，吕奇皓，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：