【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及可控水基逆反射器的，具体而言，尤其涉及二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法。
技术介绍
1、目前对于各个领域内超材料结构设计方法有很多，但是仍存在一些结构复杂、设计周期长、工作频带窄、不可调控或调控方法复杂等问题。本专利技术所设计超材料运用水材料，由于水具有较高介电常数、容易塑形等优点，水基结构超材料具有结构简单、宽工作频带、可调控的电磁特性，且可以实现多个入射角度的双通道逆反射，并且调控的方法简单等优点，相比常规设计方法更加高效便捷。
技术实现思路
1、根据上述
技术介绍
提到的技术问题，而提供一种二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法。本专利技术以水的高介电常数和易于塑形的特点为基本前提，设计了可以实现具有各向同性和互易性的水基超材料逆反射超表面，同时也多角度可适应。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，包括以下步骤：
4、选定介质基板材料，根据广义斯涅耳定律建立超表面多通道反射器；
5、将超表面阵列的一个组成周期划分为一个超胞，将水基单胞作为设计域，以二维周期网格将所述设计域划分为规则矩形子网格阵列，控制调整各水基的填充、缺失与高度，描述不同微结构的构型；
6、对周期性超表面内超胞所产生的反射进行相位叠加可实现对波反射波束方向的控制；当斜入射电磁波照射到常规反射表面时，在无切向梯度的条件下，反射波将会沿着不同的路径最终汇合到同
7、若设沿反射表面切向响应相位差为dφx，反射角与入射角分别为θr和θi，则θr和θi的关系表示为：
8、k0n0sinθidx＝k0n0sinθrdx-dφx；
9、其中，k0＝2π/λ0表示波数，λ0表示入射波的波长，n0表示反射介质折射率；
10、如果反射介质为具有周期特性的介质，那么反射通道数会与反射介质本身的周期特性有关，当波长为λ0的电磁波入射到周期为d的介质表面时，如果周期d小于λ0，则反射通道会表现为常规的镜面反射通道；如果d>2λ0，则反射介质可能会产生三个或三个以上的反射通道；如果在λ<d<2λ的情况下，则反射表面可能会产生双通道，即包含镜面反射通道和逆反射通道；
11、为了确定周期长度d，对上式进一步推导，即可得到广义斯涅耳定律：
12、
13、引入周期性梯度电磁超表面，来获取介质表面的相位梯度，周期内的相邻子域沿介质表面切向等距排列，为简化设计，设相位只沿x轴方向线性变化，无其他方向相位梯度，则有：
14、
15、可化简为：
16、
17、当反射通道包括逆反射通道时，会存在θi＝-θr的解，得到推导出包含逆反射通道的反射介质周期满足：
18、
19、设单周期内波数满足条件kd＝2π/d＝2k0sinθi，在实现双通道和逆反射时，单个周期内至少包含的离散单元相位梯度数n为：
20、
21、所述超胞内所需包含单胞的个数至少为2即可实现逆反射。
22、进一步地，为了方便调整所述超胞的周期长度，搭建一种一维形式的水基颗粒格栅阵列；其中，c表示一个超胞内所包含的单胞个数，l表示每个单胞的尺寸，2d＝c×l；即表示为：
23、
24、在单胞长度l确定的前提下，通过选择构成超胞的单胞个数，即可改变超胞的尺寸，从而实现多角度的逆反射和双通道反射特性；在给定波长λ0下，当单胞的尺寸l足够小，c×l，其中c≥2)足以精确获取任意超胞边长，进而足以分辨任意入射角度实现逆反射。
25、进一步地，结合广义斯涅耳定律，包括以下步骤：
26、步骤1：根据不同超胞结构的选取，在水基容器不变的情况下，对由超胞组成的二维周期阵列进行建模，计算其散射特性，以多通道反射器对所需特定频率入射波在该入射角的反方向反射功率占各方向总反射功率比值最大为设计目标，基于遗传算法对容器内的水位高度进行构型寻优，获得最优逆反射器结构；
27、步骤2：对单包引入旋转对称性，对超胞结构进一步优化；
28、步骤3：根据旋转对称性演变出具有双各向同性和四各向同性的超表面逆反射结构模型。
29、进一步地，所述步骤1包括以下步骤：
30、步骤11：通过数值方法计算各个方向上的反射功率，用阵列远场散射特性，双站雷达散射截面积表示，以d(x；θ)表示俯仰角θ方向上的双站rcs；
31、取逆反射方向即-θi方向的双站rcs数值d(x；-θi)，以d(x；-θi)占所有反射方向功率加和最大为设计目标；
32、步骤12：设定限定阈值t，设置满足停止优化的条件，设θ为扫描俯仰角向的角度，θup和θlow分别表示角度的上下限；优化列式表示为：
33、find x＝(x1,x2,x3,……xn)t；
34、
35、
36、步骤13：以遗传算法作为求解算法进行迭代优化设计；其中，基因序列与设计变量每位相对应，父代产生新的子代，当新产生的最优子代中的目标函数值大于设定阈值t时，将停止优化过程，输出最优子代基因序列，并通过对编码序列进行解码，计算出每个设计单胞内的充水高度，最终优化得到水基逆反射器结构模型；
37、同时，根据不同入射角度会选择不同的组成超胞的单胞个数，针对不同的单胞个数改变设计变量一维数组x的长度，再进行基因序列的设计。
38、进一步地，所述步骤3包括以下步骤：
39、步骤31：通过数值方法计算360°每个方向上的反射功率，提取镜面反射方向和逆反射方向的功率，分别给镜面反射方向和逆反射方向乘以权重系数u和v；
40、步骤32：通过调节u和v的数值，控制两个反射方向的反射功率；
41、步骤33：以加权后的逆反射方向与镜面反射方向的反射功率差值最小为设计目标；利用相同的水基容器，对容器内部的水位高度进行重新优化设计，两个反射方向的反射幅值比接近设计目标的比例。
42、进一步地，所述步骤3中，所述旋转对称性优化后的单胞，是通过以超胞中心点为中心旋转90°对称获取；若对电磁波束方向的调控不随方向变化，即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值，即实现双各向同性；从四个方向入射均可达到逆反射的目的。只需要对超胞结构重新进行分化设计，选择超胞结构内部1/4的单胞的水位作为优化对象，再结合旋转对称性，将优化设计的1/4的单胞以超胞中心为原点依次旋转45°，最终得到具有四各向同性的水基逆反射器结构。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
43、本专利技术所设计逆反射器模型中单胞结构由器内部装有高度不等的水构成，通过对水基形状和水的高度用量的改变可实现响应特性的重构，从性能上，对比现有超材料本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，为了方便调整所述超胞的周期长度，搭建一种一维形式的水基颗粒格栅阵列；其中，c表示一个超胞内所包含的单胞个数，L表示每个单胞的尺寸，2d＝c×L；即表示为：
3.根据权利要求1所述的二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，结合广义斯涅耳定律，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
5.根据权利要求3所述的二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：
6.根据权利要求3所述的二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，所述步骤3中，所述旋转对称性优化后的单胞，是通过以超胞中心点为中心旋转90°对称获取；若对电磁波束方向的调控不随方向变化，即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数
...【技术特征摘要】
1.二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，为了方便调整所述超胞的周期长度，搭建一种一维形式的水基颗粒格栅阵列；其中，c表示一个超胞内所包含的单胞个数，l表示每个单胞的尺寸，2d＝c×l；即表示为：
3.根据权利要求1所述的二维各向同性可控重构水基逆反射器超表面结构设计方法，其特征在于，结合广义斯涅耳定律，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的二维各向同性可...
【专利技术属性】
技术研发人员：史鹏飞，王淼，李晓东，向川，赵宏革，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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