一种频率实时可调的共形低散射超表面

摘要

本发明提出一种频率实时可调的共形低散射超表面，所述超表面为曲面结构，设置在金属圆柱的外周，包括：包裹在金属圆柱外壁的柔性介质层和若干金属贴片单元；所述金属贴片单元在柔性介质层外壁上阵列设置，阵列中，每一行中的金属贴片单元沿柔性介质层周向均匀设置，同一行中相邻金属贴片单元之间通过微带线连接；每一列中的金属贴片单元沿柔性介质层轴线方向均匀设置，同一列中，相邻金属贴片单元之间通过PIN二极管连接；通过控制同一列中PIN二极管的通断实现对所述低散射超表面的工作频段进行动态调控，可以在较宽的频谱范围内对低散射超表面的工作频段进行动态调控。

权利要求

1.一种频率实时可调的共形低散射超表面，其特征在于，所述超表面为曲面结构，设置 在金属圆柱的外周，包括：包裹在金属圆柱外壁的柔性介质层和若干金属贴片单元； 所述金属贴片单元在柔性介质层外壁上阵列设置，阵列中，每一行中的金属贴片单元 沿柔性介质层周向均匀设置，同一行中相邻金属贴片单元之间通过微带线连接；每一列中的金属贴片单元沿柔性介质层轴线方向均匀设置，同一列中，相邻金属贴片单元之间通过 PIN二极管连接；通过控制同一列中PIN二极管的通断实现对所述低散射超表面的工作频段进行动态调控； 所述柔性介质层的介电常数范围均为2‑5，相对磁导率范围均为1‑5，电正切损耗tanσ均＜0 .1，厚度小于0  .015λL，λL为所述的共形低散射超表面结构最低工作频率对应的自由空间波长；所述金属贴片单元的材质为铜；所述金属贴片单元的顶部两侧分别形成一个两层阶梯形状的缺口。

2.根据权利要求1所述的一种频率实时可调的共形低散射超表面，其特征在于，所述柔性介质层的材质为聚氯乙烯。

说明书

一种频率实时可调的共形低散射超表面

技术领域

[0001] 本发明涉及人工电磁超材料领域，具体涉及种频率实时可调的共形低散射超表面。

背景技术

[0002] 随着现代化雷达测技术的飞速发展，如何降低雷达散射截面积(Radar‑Cross Section，RCS)以实现低可探测性已然成为微波段众多应用面临着的一项关键的技术挑战。

[0003] 目前，降低RCS的方法主要有两种。一种是利用吸波材料对能量进行吸收，另一种是利用超材料或超表面对电磁散射进行有效调控，而超表面由于其具有超薄、易共形、低损
耗、易制备等突出优势，被广泛应用于低散射器件的实现。但是，大多数传统的低散射超表
面都工作于无源状态，一旦设计完成，其工作特性就不能被动态地调控，导致它们面临着
RCS缩减带宽存在极限的挑战，难以在保证超表面厚度超薄的情况下，实现对RCS的宽带调
控。近年来，涌现出许多可调超表面的设计工作，通过加载有源器件，可以对装置的性能进
行灵活的动态调控，实现对频率的分时复用，从而达到进一步拓宽工作带宽的目的。但是，
目前这类超表面的设计大多集中于平面结构的设计，较少考虑到曲面结构。而在现实应用
中，大多目标都是曲面结构，因此，频率可调的共形低散射超表面的设计工作十分匮乏，需
求却尤为迫切。

[0004] 因此，出于现实应用的需求，亟需探索一种新型频率实时可调的共形低散射超表面的设计方法，在保证隐身装置的剖面足够低的前提下，通过加载有源器件(如PIN二极
管)，控制其通断排布序列，能够在较宽的连续、可调的频带范围内实现目标的背向RCS缩减
大于10dB。

发明内容

[0005] 发明目的：为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种频率实时可调的共形低散射超表面，能够改善无源低散射超表面工作频带有限的问题。

[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案为：

[0007] 一种频率实时可调的共形低散射超表面，所述超表面为曲面结构，设置在金属圆柱的外周，包括：包裹在金属圆柱外壁的柔性介质层和若干金属贴片单元；

[0008] 所述金属贴片单元在柔性介质层外壁上阵列设置，阵列中，每一行中的金属贴片单元沿柔性介质层周向均匀设置，同一行中相邻金属贴片单元之间通过微带线连接；每一
列中的金属贴片单元沿柔性介质层轴线方向均匀设置，同一列中，相邻金属贴片单元之间
通过PIN二极管连接；通过控制同一列中PIN二极管的通断实现对所述低散射超表面的工作
频段进行动态调控。

[0009] 本发明中，沿轴向排布的PIN二极管可由外部控制其通断排布序列，从而能够在较宽的连续、可调的频带范围内实现目标的背向RCS缩减大于10dB。

[0010] 可选的，所述柔性介质层的介电常数范围均为2‑5，相对磁导率范围均为1‑5，电正切损耗tanσ均＜0.1，厚度小于0.015λL，λL为所述的共形低散射超表面结构最低工作频率对
应的自由空间波长。

[0011] 可选的，所述柔性介质层的材质为聚氯乙烯。

[0012] 可选的，所述金属贴片单元的材质为铜。

[0013] 可选的，所述金属贴片单元的顶部两侧分别形成一个两层阶梯形状的缺口。

[0014] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

[0015] 本发明提供了一种频率实时可调的共形低散射超表面，可以实现电大或电小尺寸金属目标的隐身，并且通过调节PIN二极管沿圆柱的轴线方向的通断排布序列，可以在较宽
的频谱范围内对低散射超表面的工作频段进行动态调控，同时具备了超薄、易共形、结构简
单、制备成本低、工作频段动态可调等优点。

附图说明

[0016] 图1是本发明实施例中频率实时可调的共形低散射超表面的整体结构示意图；

[0017] 图2是本发明实施例中频率实时可调的共形低散射超表面的一组金属结构示意图；其中，图2a为未加载PIN二极管的金属结构图，图2b为加载PIN二极管并与其他组金属结
构相互连接的结构图；

[0018] 图3是实施例中频率实时可调的共形低散射超表面的金属贴片单元和连接微带线结构示意图，图3a为未加载PIN二极管时的结构示意图，图3b为加载PIN二极管并与其他组
金属结构相互连接时的结构示意图；

[0019] 图4是六种典型的PIN二极管通断排布序列；其中，‘0’表示PIN管处于断开状态，‘1’表示PIN管处于导通状态；

[0020] 图5是实施例中加载了频率实时可调的共形低散射超表面的金属圆柱在被赋予六种典型的PIN二极管通断排布序列的情况下的背向RCS曲线与同等尺寸的裸金属柱的背向
RCS曲线的对比图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0022] 实施例：

[0023] 图1是本发明实施例中频率实时可调的共形低散射超表面的整体结构示意图，本实施例所述的频率实时可调的共形低散射超表面结构设置在金属圆柱1外周，该频率实时
可调的共形低散射超表面结构由内至外，包括依次连接的柔性介质层2、可重构共形超表面
结构层3，可重构共形超表面层3由沿柔性介质层3轴线并列设置的多组金属结构31组成，其
中，每一组金属结构31通过多条微带线312连接多个金属贴片单元311组成，金属结构31通
过PIN二极管4进行连接。金属贴片单元311从上至下包括依次连接的第二矩形贴片3112、第
一矩形贴片3111和第三矩形贴片3113。第二矩形贴片3112上设置金属材质的第一接头
3115a，第三矩形贴片3113上设置金属材质的第二接头3115b。

[0024] 如图1至图3所示，本实例包括一根高为432mm和直径为165mm的金属圆柱1、厚度为2.13mm的柔性介质层2(采用聚氯乙烯，介电常数为2.55，电正切损耗tanσ＝0.015)和蚀刻
于柔性介质层2外表面的可重构共形超表面结构层3。柔性介质层的高度与金属圆柱1相同，
其自然伸展，紧紧包裹于金属圆柱1的外侧。

[0025] 本实例中的可重构共形超表面结构层3由10组结构完全相同的金属结构31沿圆柱的轴线方向进行阵列周期延拓构成，金属结构31由10个结构完全相同的沿柔性介质层2圆
周方向等间隔周期排布连接的频率实时可调的共形低散射超表面结构单元构成，频率实时
可调的共形低散射超表面结构单元由金属贴片单元311和微带线312组成，频率实时可调的
共形低散射超表面结构单元的长度即沿柔性介质层2周向的长度为53.3mm；每组金属结构
31中相邻的金属贴片单元311通过微带线312(条数为3条)进行连接。本实例中的微带线312
长度为4.6mm，微带线312每一条的宽度为0.8mm，微带线312中相邻两条微带线的中心间隔
为1.2mm。本实例中的金属贴片单元311为异形结构，中心呈现轴对称分布，材质为铜，金属
贴片单元311从上至下由依次链接的第二矩形贴片3112(尺寸为44.8mm×5.9mm)、第一矩形
贴片3111(尺寸为37.8mm×2.8mm)和第三矩形贴片3113(尺寸为48.7mm×25.2mm)，以及设
置在第二矩形贴片3112上的第一接头3115a(材质为铜，尺寸为0.8mm×0.54mm)和设置在第
三矩形贴片3113上的第二接头3115b(材质为铜，尺寸为0.8mm×0.54mm)组成。每组金属结
构中的金属单元311通过在相邻的接头之间加载第一PIN二极管4进行连接，PIN二极管4的
通断状态可以被任意调控，同一组金属结构中的PIN二极管4通断状态可以各不相同，而沿
圆周方向排布的每组PIN二极管4的通断状态排布序列相同。

[0026] TM极化入射波(电矢量平行于圆柱轴线)沿着与圆柱轴线正交的方向入射到目标物体，图4是六种挑选出的典型的PIN二极管通断排布序列。其中，‘0’表示PIN管处于断开状
态，‘1’表示PIN管处于导通状态。图5是加载了频率实时可调的共形低散射超表面的金属圆
柱在被赋予了六种典型的PIN二极管通断排布序列的情况下的背向RCS仿真曲线与同等尺
寸的裸金属柱的背向RCS仿真曲线，可以看出通过调节PIN二极管沿圆柱的轴线方向的通断
排布序列，本实施例所述的频率实时可调的共形低散射超表面结构可以实现对裸金属柱背
向RCS的10dB缩减，且其工作频段可以在宽达32％(2.15‑2.88)的相对带宽内实现实时、连
续的动态切换。

[0027] 采用上述方案的频率实时可调的共形低散射超表面，其至少具有以下技术效果：

[0028] 本实施例所述的频率实时可调的共形低散射超表面可以在较宽的动态可调带宽内降低目标的背向散射。当TM极化波(电矢量平行于圆柱轴线)沿着与圆柱轴线正交的方向
入射时，通过调节PIN二极管沿圆柱的轴线方向的通断排布序列，可以在大于32％的动态、
连续可调的相对带宽内实现裸金属柱背向雷达散射截面积(Radar‑Cross Section，RCS)
RCS的10‑dB缩减，且无论目标是电大尺寸还是电小尺寸的金属物体，均具有良好的背向散
射缩减效果。本发明所述的频率实时可调的共形低散射超表面结构的厚度非常薄，可以小
于0.015λL(λL为所述频率实时可调的共形低散射超表面结构最低工作频率对应的自由空
间波长)。本发明实现频率实时可调的背向散射缩减的方法通过合理设计金属贴片单元结
构并采用三条平行微带线进行连接，以及调控PIN二极管沿圆柱的轴线方向的通断排布序
列，使得该频率实时可调的共形低散射超表面结构的工作频带能够在较宽的范围内被连
续、动态地调控。本发明实施例的频率实时可调的共形低散射超表面结构具备了超薄、易共
形、结构简单、制备成本低、工作频段动态可调等优点。

[0029] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。