CN113036443B - 一种用于宽带和宽角rcs减缩的光学透明电磁超表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其由三层铟锡氧化物ITO薄膜层和两层聚对苯二甲酸乙二醇酯PET介质层构成，该表层和中层ITO层分别由N×N个棋盘式排布的超表面模块构成；超表面模块分别由M×M个基本单元组成，每个相邻的超表面模块之间按照沿中心顺时针旋转分布，上层ITO层由一组沿对角线排布的L型贴片构成，中层ITO层由一组沿对角线排布的L型贴片和一组拱形条带构成，还包括底层ITO层反射板。本发明解决了现有技术难以实现RCS减缩与光学透明的兼容性问题，具有宽带和宽角RCS减缩性能好和光学透明等优势，在同时需要光学透明或透视观察和RCS减缩的场景中具有潜在应用。

Description

一种用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，涉及一种电磁超表面，具体涉及一种用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面。

背景技术

现代雷达探测技术的不断发展，对低散射平台造成了严峻的威胁。现有散射抑制技术包括外形设计和涂覆雷达吸波材料。通过外形技术抑制散射通常会改变平台原有的形态特征而破坏其气动性能，并且具有散射带宽窄和角稳定性差等缺陷。通过涂覆雷达吸波材料虽然能够有效降低散射强度，但是由于体积和重量等多方面因素则会限制其应用场景。此外，对于同时具有光学透明或视觉观察和散射抑制需求的场景，难以通过现有散射抑制技术满足其兼容性需求。

人工电磁材料是采用亚波长的人工电磁结构周期性排列构成，其能够实现对电磁波幅度、相位和极化等特性的灵活调控，在散射抑制方面也具有应用潜力。电磁超表面属于人工电磁材料的二维表征形式，其是通过将超表面单元进行二维排布而构成的。由于电磁超表面具有低剖面、结构简单和易于加工等优势，在天线、微波和太赫兹器件以及光电子器件等诸多领域具有广泛应用。

随着对电磁超表面的不断深入研究，针对RCS减缩，提出了如极化转换超表面、相位梯度超表面、频率选择超表面和超材料吸波器等多种超表面结构，实现了显著的RCS减缩效果。2018年，Yaqiang Zhuang等人在IEEE Access期刊上发表了一篇名为《Low-scattering tri-band metasurface using combination of diffusion absorption andcancellation》的论文，该论文通过将工作在不同频带具有不同功能的超表面结构进行联合设计，实现了有效的RCS减缩效果，但该超表面需设计两种工作于不同频带的超表面单元，并且该超表面在工作中各单元的工作机理是彼此独立的。此外，由于该超表面采用了“金属-介质-金属”的夹层结构，其在光学上是非可透视的，不适用于需要光学透明或视觉观察需求的场景。

针对低散射平台的视窗位置等需要兼顾光学透明和低散射特性的场景，设计具有高光学透明性且具有良好RCS减缩性能的电磁超表面具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于针对现有散射抑制技术无法满足同时具有光学透明或视觉观察和散射抑制需求的场景的难题，提出一种具备宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，用于满足现有技术无法在实现宽带和宽角RCS减缩的同时兼顾平台视窗等特殊场景对于光学透明或视觉观察的需求。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，包括两层PET介质层和三层ITO层，在上层PET介质层上表面印制有表层ITO层，在下层PET介质层上表面印制有中层ITO层且与上层PET介质层下表面紧密贴合；底层ITO层印制在下层PET介质层下表面。构成的多层电磁超表面有益于降低超表面的Q值以拓宽超表面的带宽。

表层ITO层和中层ITO层分别由N×N个棋盘式排布的超表面模块构成；超表面模块分别由M×M个基本单元组成，N≥2，M≥2，能够对低频段入射波产生有效谐振，有益于超表面的宽带RCS减缩性能。每个相邻的超表面模块之间按照沿中心顺时针旋转分布，利用相邻超表面模块之间的反相特性对散射能量进行重定向，可以实现有效的RCS减缩。

透明导电膜制成的三层ITO层，有益于通过欧姆损耗将部分散射能量吸收并转换为热能，在同一结构中实现了吸收机制和极化转换机制的混合机制，实现了超表面的宽带和宽角RCS减缩性能。

进一步，在表层ITO层的超表面模块Ⅰ由M×M个基本单元Ⅰ构成，基本单元Ⅰ由在上层PET介质层上表面沿对角线排布的一组L型贴片Ⅰ构成。

进一步，在中层ITO层的超表面模块由M×M个基本单元Ⅱ构成，基本单元Ⅱ由在下层PET介质层上表面沿对角线排布的一组L型贴片Ⅱ和一组关于相邻对角线对称分布的中间弯折的拱形条带构成。

上述结构有益于模拟无限周期条件以降低构成超表面模块的基本单元之间的耦合效应，有益于对宽频段入射波产生谐振，实现对宽频段入射波下的有效RCS减缩性能，该对称分布保证了对宽频段的TE和TM波具有相同的频率响应，实现极化稳定性。

进一步，拱形条带位于L型贴片Ⅱ之间，弯折处条带长度与L型贴片Ⅱ两臂开口宽度相同，弯折处条带厚度与L型贴片Ⅱ厚度相同；该结构可减少基本单元Ⅱ的结构参数，降低结构设计的复杂度。

采用弯折处条带与L型贴片Ⅱ两臂端部距离不小于L型贴片Ⅱ单臂宽度，有益于通过利用拱形条带和L型贴片之间的耦合效应，改善了基本单元Ⅱ对中频段入射波的频率响应效果。

进一步，采用基本单元Ⅰ和基本单元Ⅱ的周期间距P相同，有益于组成相同大小的超表面模块Ⅰ和超表面模块Ⅱ，从而使按中心顺时针旋转分布构成的超表面具有对称分布特性，实现超表面的极化稳定性。

进一步，采用L型贴片Ⅰ与L型贴片Ⅱ的两臂关于对角线对称，实现其对TE和TM入射波具有极化不敏感性。采用L型贴片Ⅰ单臂长度和宽度均小于L型贴片Ⅱ单臂长度和宽度，结构参数的差异性有益于改善对高频段入射波的频率响应特性。

进一步，采用表层ITO层、中层ITO和层底层ITO层为透明导电铟锡氧化物材料，利用透明导电铟锡氧化物同时具有一定方阻和导电性的特性，能够实现将极化转换机制和吸收机制集成于同一结构中，实现超表面的宽带和宽角RCS减缩性能和光学透明性。

进一步，采用上层PET介质层和下层PET介质层为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，实现超表面的光学透明性。

进一步，采用上层PET介质层和下层PET介质层厚度相同，相对介电常数为2.5-4.5，损耗角正切为0.01-0.03，适中的相对介电常数有益于实现具有低Q值的基本单元结构，实现了超表面的宽带RCS减缩性能，较大的损耗角正切可通过介质损耗降低散射波的幅度，有益于超表面的宽带和宽角RCS减缩性能。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明光学透明电磁超表面将电磁波的吸收和极化转换两种机制集成于同一单元结构中，完成了对超表面的混合机理结构设计，同时该单元具有对称性，使其具备较高的入射角稳定性，通过两层结构嵌套的方法有效地扩展了RCS的减缩带宽，可在7.47-30.06GHz的宽频率范围内实现超过10dB的RCS减缩。混合超表面在共极化反射系数小于-10dB的频率范围内吸收转化率ACR大于90％，极化转换率在8-16GHz、20.5-24GHz和26.5-30.5GHz的频率范围内大于0.8。同时，以ITO等透明导电膜代替传统金属贴片，以PET等透明材料代替传统不透明的介质基板，使得该超表面结构具有良好的光学透明性，可以应用于需要兼顾光学透明或视觉观察和RCS减缩低散射特性的场景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2(a)是本发明实施例光学透明电磁超表面表层ITO排布；图2(b)及其基本单元Ⅰ的结构图；

图3是本发明实施例光学透明电磁超表面中层ITO排布图；

图4是本发明实施例中层ITO基本单元Ⅱ的结构图；

图5(a)是本发明实施例光学透明电磁超表面单元的S参数仿真结果图；图5(b)是据此计算得到的超表面单元的吸收转化率、转化率和吸波率结果图；

图6(a)是本发明实施例光学透明电磁超表面单元的极化转换率和转化率的比较结果图；图6(b)是光学透明电磁超表面单元和其旋转90°后的单元反射相位和相位差结果图；

图7(a)是本发明实施例光学透明电磁超表面单元在TE波入射下，吸波转化率在不同入射角下的结果图；图7(b)是光学透明电磁超表面单元在TM波入射下，吸波转化率在不同入射角下的结果图；

图8(a)是本发明实施例光学透明电磁超表面在TE波入射下，与同尺寸金属板相比的在不同入射角下RCS减缩量的结果图；图8(b)是光学透明电磁超表面在TM波入射下，与同尺寸金属板相比的在不同入射角下RCS减缩量的结果图；

图9(a)、(b)是在TE模式电磁波垂直入射条件下，在9GHz、14GHz、19GHz、24GHz和29GHz等5个频点处光学透明电磁超表面和同尺寸金属板的三维散射方向图的对比图；其中，图9(a)为电磁波垂直入射光学透明电磁超表面的情况，图9(b)为电磁波垂直入射同尺寸金属板的情况。

图中：1、表层ITO层；2、中层ITO层；3、底层ITO层；4、上层PET介质层；5、下层PET介质层；11、超表面模块Ⅰ；111、基本单元Ⅰ；1111、L型贴片Ⅰ；21、超表面模块Ⅱ；211、基本单元Ⅱ；2111、L型贴片Ⅱ；2112、拱形条带。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1，本实施例光学透明电磁超表面，包括三层透明导电铟锡氧化物ITO层1、2、3和两层聚对苯二甲酸乙二醇酯PET介质层4、5；表层ITO层1印制在上层PET介质层4上表面；中层ITO层2印制在下层PET介质层5上表面且和上层PET介质层4下表面紧密贴合；底层ITO层3印制在下层PET层5下表面；两层PET介质层厚度相同，形成一个60mm×60mm×4mm的超表面整体。

参照图2(a)所示，表层ITO层1由2×2个超表面模块Ⅰ11构成；超表面模块Ⅰ11由5×5个基本单元Ⅰ111组成，相邻的超表面模块之间按照沿中心顺时针旋转分布，图中“0”与“1”分别表示相邻的两个不同的超表面模块，“0”超表面模块顺时针旋转90°后，为“1”超表面模块。

参照图2(b)所示，超表面模块Ⅰ11的基本单元Ⅰ111由上层PET介质层上表面沿对角线排布的一组L型贴片Ⅰ1111构成。在本实施例中，L型贴片Ⅰ1111的两臂关于对角线对称，单臂长度L1为1.0mm-3.0mm，宽度W1为0.2mm-0.8mm，单元周期间距P为4mm-10mm。本实施例采用但不限于L1＝2.05mm，W1＝0.4mm，P＝6mm。

参照图3所示，超表面结构模块Ⅱ21由2×2个超表面模块Ⅱ21构成；超表面模块Ⅱ21由5×5个基本单元Ⅱ211构成，相邻的基本单元结构之间按照沿中心顺时针旋转分布，同样，图中“0”与“1”分别表示相邻的两个不同的结构基本单元，“0”基本单元结构顺时针旋转90°后，为“1”基本单元结构。

如图4所示，基本单元Ⅱ211由在下层PET介质层上表面沿对角线排布的一组L型贴片Ⅱ2111和一组关于相邻对角线对称分布的中间弯折的拱形条带2112构成，拱形条带2112位于L型贴片Ⅱ2111之间，弯折处条带长度L3与L型贴片Ⅱ2111两臂开口宽度相同，弯折处条带厚度W3与L型贴片Ⅱ2111厚度W2相同；弯折处条带与L型贴片Ⅱ2111两臂端部距离不小于L型贴片Ⅱ2111单臂宽度。

在本实施例中，L型贴片2111的两臂关于对角线对称，单臂长度L2为1.0mm-3.0mm，宽度W2为0.2mm-0.8mm；中层拱形条带2112位于L型贴片2111之间，弯折处条带长度L3为1.5mm-3.2mm，宽度W3为0.2mm-0.8mm，两边处条带长度L4为1.0mm-2.0mm，宽度W4为0.5mm-1.5mm。本实施例采用但不限于L2＝2.26mm，W2＝0.5mm，L3＝2.3mm，W3＝0.5mm，L4＝1.65mm，W4＝0.7mm。

在本实施例中，基本单元Ⅰ111和基本单元Ⅱ211的周期间距P相同；L型贴片Ⅰ1111与L型贴片Ⅱ2111的两臂关于对角线对称，L型贴片Ⅰ1111与L型贴片Ⅱ2111单臂长度、宽度相同。上层PET介质层和下层PET介质层厚度相同，相对介电常数为2.5-4.5，损耗角正切为0.01-0.03。ITO薄膜的方阻为5Ω-20Ω，本实施例采用但不限于方阻为6Ω。

本实施例的工作原理如下：

本实施例光学透明电磁超表面可利用极化转换原理将入射电磁波转化为其交叉极化波，通过结构嵌套的方法拓展了其工作带宽，将超表面模块沿结构中心顺时针旋转，可实现相邻模块反射相位反相，根据相位相消原理，散射波束会重定向至四角方向；同时，采用具有特定阻值的ITO薄膜材料代替传统的金属材料，引入欧姆损耗以实现从电磁能量到热能的转换，在特定频率范围内可实现对入射电磁波的有效吸收，减小威胁角域内的回波能量，达到RCS减缩的目的；此外，由于地板同样采用了ITO薄膜，介质基板采用具有光学透明性的PET材料，使得所述超表面整体具有高光学透明性，可以应用到同时需要光学透明或透视观察和RCS减缩的场景中。

本实施例光学透明电磁超表面的混合机理设计的具体原理如下：

本实施例光学透明电磁超表面的混合机理主要分为吸波原理和极化转换原理两部分进行分析：

根据吸波原理分析，超表面单元的吸收率可以表示为：

其中

和

分别为共极化、交叉极化的反射系数和传输系数。由于反射板采用了低阻抗的ITO膜，所以电磁波几乎被全反射，两种极化的传输系数可近似为0，此时超表面单元的吸收率可定义为：

根据极化转换原理，定义转化率Conversion是将入射波极化转换为交叉极化波的比率，其表示为：

同时考虑被吸收和被转化的电磁能量，超表面单元的吸收转化率ACR可定义为：

由(4)式可知，对于本实施例的超表面单元，其吸收转化率由两部分组成，一部分来自吸波原理的吸波效果，另一部分来自极化转换原理的转化效果，表明该超表面单元实现了两种机制的混合。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

仿真软件：全波仿真软件HFSS_15.0。

仿真内容与结果：

仿真1，对本实施例超表面单元的共极化、交叉极化的反射系数和传输系数在频率6GHz-34GHz范围内进行仿真计算结果如图5(a)所示。

从图5(a)可见，本实施例超表面单元在频率6GHz-34GHz范围内传输系数小于-25dB，这是由于最底层采用了低阻抗的ITO膜，所以电磁波几乎被全反射。而在7.44GHz-31.31GHz的频率范围内，共极化反射系数小于-10dB，交叉极化反射系数并不接近于0。由此可见，入射电磁波能量被分成了反射波、吸收波和转化为交叉极化波三部分。

仿真2，对本实施例超表面单元的吸收率Absorption、转化率Conversion和吸收转化率ACR在频率6GHz-34GHz范围内进行仿真计算，结果如图5(b)所示。

从图5(b)可见，本实施例超表面单元在共极化反射系数小于-10dB的频率范围内吸收转化率ACR大于90％，此得益于该超表面单元在吸波率较低的频率范围内极化转换率较高，而在极化转换率较低的频率范围内吸波率较高，两种机制的协同作用使得对电磁波调控性能得到显著提升。

仿真3，在6GHz-34GHz的频率范围内对本实施例超表面单元的极化转换率PCR和转化率Conversion进行仿真计算，结果如图6(a)所示。

从图6(a)可见，本实施例超表面单元的极化转换率在8-16GHz、20.5-24GHz和26.5-30.5GHz的频率范围内大于0.8，极化转换率代表入射波转化为其交叉极化波与不包含被吸收耗散部分能量的剩余能量的比率。

仿真4，在6-34GHz的频率范围内，对本实施例超表面单元与其中心对称旋转90度后的镜像超表面单元的反射相位进行仿真计算，并计算反射相位差，结果如图6(b)所示。

从图6(b)可见，本实施例超表面单元与其中心对称旋转90度后的镜像超表面单元在7-23GHz和28-30.5GHz的频率范围内的反射相位差在180±37°内，可实现对散射波的相位相消，降低威胁角域内的散射峰值。

仿真5，在6-34GHz的频率范围内分别仿真了本实施例超表面单元在TE和TM波入射下，入射角从0°到60°(步进角度15°)的吸波转化率，结果如图7所示。其中，图7(a)为TE波入射情况，图7(b)为TM波入射情况。

从图7(a)、(b)可见，在0°到45°范围内，吸波转化率都大于80％(TM波入射情况下超过90％)，尽管在接近60°时吸波转化率有所下降，但仍呈现出明显的吸收转化效果，表明本实施例超表面单元具有较高的入射角稳定性。

仿真6，在6-34GHz范围内，分别采用TE波入射和TM波入射，对本实施例超表面在电磁波以垂直、15°、30°、45°和60°五种不同入射角情况下的单站雷达截面减缩量(与同尺寸的金属板相比)进行仿真计算，结果如图8(a)、(b)所示。

从图8(a)、(b)可见，本实施例超表面在不同入射角下，对TE和TM波均达到了宽带RCS减缩的效果，对于垂直入射情况，在7.47-30.06GHz频带内实现了超过10dB的RCS减缩效果。其中，图8(a)为TE波入射情况，图8(b)为TM波入射情况。

仿真7，在TE波垂直入射条件下，选取9GHz、14GHz、19GHz、24GHz和29GHz等5个频点仿真计算本实施例超表面和同尺寸金属板的三维散射方向图，结果如图9(a)、(b)所示，其中，图9(a)是本实施例超表面的散射方向图，图9(b)是同尺寸金属板的散射方向图。

从图9(a)、(b)可见，相比于金属板而言，由于对超表面模块进行了顺时针排布，在相邻模块之间引入了180±37°的反射波相位差，使得本实施例超表面的三维散射方向图呈四波束形状，同时，反射波的强度也较金属板的反射波强度更低，这是由于部分能量被本实施例超表面所吸收，由此也印证了本实施例超表面的混合机制的正确性和有效性。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，包括两层PET介质层（4，5）和三层ITO层（1，2，3），在上层PET介质层（4）上表面印制有表层ITO层（1），在下层PET介质层（5）上表面印制有中层ITO层（2）且与上层PET介质层（4）下表面紧密贴合；底层ITO层（3）印制在下层PET介质层（5）下表面；

所述表层ITO层（1）和中层ITO层（2）分别由N×N个棋盘式排布的超表面模块（11，21）构成；超表面模块(11，21)分别由M×M个基本单元组成，N≥2，M≥2；每个相邻的超表面模块之间按照沿中心顺时针旋转分布，三层ITO层（1，2，3）为透明导电膜；

在中层ITO（2）的超表面模块Ⅱ（21）由M×M个基本单元Ⅱ（211）构成，基本单元Ⅱ（211）由在下层PET介质层上表面沿对角线排布的一组L型贴片Ⅱ（2111）和一组关于相邻对角线对称分布的中间弯折的拱形条带（2112）构成；

在表层ITO层（1）的超表面模块Ⅰ（11）由M×M个基本单元Ⅰ（111）构成，基本单元Ⅰ（111）由在上层PET介质层上表面沿对角线排布的一组L型贴片Ⅰ（1111）构成；所述拱形条带（2112）位于L型贴片Ⅱ（2111）之间。

2.根据权利要求1所述的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，弯折处条带长度与L型贴片Ⅱ（2111）两臂开口宽度相同，弯折处条带厚度与L型贴片Ⅱ（2111）厚度相同；弯折处条带与L型贴片Ⅱ（2111）两臂端部距离不小于L型贴片Ⅱ（2111）单臂宽度。

3.根据权利要求1所述的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，所述基本单元Ⅰ（111）和基本单元Ⅱ（211）的周期间距P相同。

4.根据权利要求1所述的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，所述L型贴片Ⅰ（1111）与L型贴片Ⅱ（2111）的两臂关于对角线对称，L型贴片Ⅰ（1111）单臂长度和宽度均小于L型贴片Ⅱ（2111）单臂长度和宽度。

5.根据权利要求1所述的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，所述表层ITO层（1）、中层ITO层（2）和底层ITO层（3）为透明导电铟锡氧化物材料。

6.根据权利要求1所述的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，所述上层PET介质层（4）和下层PET介质层（5）为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料。

7.根据权利要求1所述的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，所述上层PET介质层（4）和下层PET介质层（5）厚度相同，相对介电常数为2.5-4.5，损耗角正切为0.01-0.03。

8.根据权利要求1-7任一项所述的用于宽带和宽角RCS减缩的光学透明电磁超表面，其特征在于，电磁超表面在共极化反射系数小于-10dB的频率范围内吸收转化率ACR大于90%，极化转换率在8-16GHz、20.5-24GHz和26.5-30.5GHz的频率范围内大于0.8。

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