[发明专利]宽带、极化不敏感螺旋编码RCS减缩超表面及其设计方法

权利要求书

1.一种超宽带、极化不敏感螺旋编码RCS减缩超表面，其特征在于，为二维有限尺寸结构，由8×8个具有不同梯度方向的8种线性超单元按螺旋序列排列而成；所述8种线性超单元的梯度方向分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，对应的各超单元依次编号为1、2、3、4、5、6、7和8；每个线性超单元为二维有限尺寸结构，由6×6个具有不同尺寸的6种人工电磁结构单元按线性梯度构成，均完全覆盖360°，相位梯度为60°；所述螺旋序列为由外而内的单螺旋循环排列方式，即1234567812345678……，数字编号代表对应梯度方向的线性超单元；所述人工电磁结构单元为一种旋转对称反射结构，由上层内部闭合环即谐振环和外部耶路撒冷金属结构、中层介质板和底层金属铜板组成；

记人工电磁结构单元的大小尺寸为a，所述上层金属结构中，内部谐振环和外部耶路撒冷结构的金属条宽度为d，谐振环的大小尺寸为a/2，介质板厚度为b，底层金属铜板厚度为c；单元周期为p。

2.根据权利要求1所述的超宽带、极化不敏感螺旋编码RCS减缩超表面，其特征在于，单元周期p＝6mm，介质板厚度b＝2mm，相对介电常数为4.3，谐振环和耶路撒冷结构的金属条宽度d＝0.2mm；底层金属铜板厚度为0.036mm；超单元由6种不同尺寸a的单元组成，相位梯度在f₀＝15GHz处，相位梯度为60°，6种单元对应的相位分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°，达到了0°到360°相位覆盖；6种不同单元的结构尺寸a分别为4.62mm，3.95mm，3.36mm，3.04mm，2.78mm，2.3mm。

3.如权利要求1所述超宽带、极化不敏感螺旋编码RCS减缩超表面的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：宽带、极化不敏感、亚波长超表面单元设计：

设计的基本理论依据是由系列单元构成超表面的群集响应继承单元的宽带、极化不敏感特性；要想获得极化不敏感特性，单元必须具有四周旋转对称特性；同时为获得宽频特性，单元反射幅度必须近1，相位响应在很宽频率范围内线性度好、品质因数低；

据此，首先设计由内部矩形谐振环和外部耶路撒冷十字金属结构组成的多模反射单元结构，整个单元由上层金属结构、中层介质板和底层金属地板组成，通过上层金属结构和地板的耦合提供谐振于不同频率的多个磁谐振模式，利用多模级联思想打开单元在边缘频率处的相位，提高单元相位的线性度和随结构参数的相位变化范围，从而最终达到拓展单元工作带宽的目的；同时由于单元具有旋转对称特性，单元电磁响应还具有极化不敏感特性；

为使单元相位特性达到最宽，利用商业仿真软件CST对单元结构参数进行优化，使得各谐振模式合理级联；最终单元周期为p＝6mm，介质板为厚度为2mm、相对介电常数4.3、电损耗正切0.001的环氧玻璃布板，谐振环和耶路撒冷结构的宽度为d＝0.2mm；通过改变整个金属结构尺寸a而保持其他参数不变来获得各单元所需相位梯度；最终超单元由6种不同尺寸a的单元组成，相位梯度设计在f₀＝15GHz处，相位梯度为60°，6种单元对应的相位分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°，达到了0°到360°相位覆盖；选取6种单元的尺寸a，使得各单元的相位特性曲线在f₀处具有完美的平行度；最终确定的6种不同单元的结构尺寸分别为a＝4.62mm、3.95mm、3.36mm、3.04mm、2.78mm和2.3mm；

第二步：基于广义Snell反射定律的8种超单元设计：

根据广义Snell反射定律，当入射波以角度θ_i入射到超表面时反射主波束的俯仰角θ_r和方位角由下式决定：

其中是入射电磁波在真空中的波失，分别为二维平面上x、y方向的相位梯度，分别为x、y方向上相邻单元之间的相位差，p为单元周期；上式表明通过合理设计x、y方向上的相位梯度，可以任意操控超表面的梯度波矢k_a，通过操控k_a可以进一步任意操控反射波束的偏折方向即波束指向；

据此，分别设计一维梯度超单元和二维梯度超单元：一维梯度超单元中，相位梯度仅存在于x方向且为60°，y方向为0°，此时梯度方向为x方向；二维梯度超单元中，相位梯度同时存在于x、y方向，且和均为60°，此时梯度方向为方向；通过对上述一维、二维超单元分别进行90°、180°和270°旋转，生成另外6种梯度方向不同的超单元，最终获得的8种超单元，其梯度方向分别为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°，对应的各超单元依次编号为1、2、3、4、5、6、7和8，达到梯度方向在二维平面内的360°覆盖；

第三步：宽带、极化不敏感螺旋编码RCS减缩超表面的建模设计：

基于第一步的超表面单元设计和第二步的8种超单元设计，第三步则是如何合理利用8种超单元构建RCS减缩超表面；

首先，确定超表面的尺寸，也即超单元的数量；这里超表面采用方形布局，即x、y方向的超单元数量L和M相同；综合衡量计算时间、样品制作成本与超表面有限尺寸对RCS减缩特性的影响，设计超表面中超单元的数量为L×M＝8×8，尺寸为288×288mm²；

其次，确定编码序列，即8种超单元的排列方式：为最大程度上打散入射电磁波，减小目标在各给角度上的散射强度从而降低双站RCS检测下的雷达发现几率，超表面中任意相邻超单元的梯度方向各异；据此，设计由外而内的单螺旋循环排列方式：1234567812345678……；即：12345678-1234567-8123456-781234-567812-34567-81234-5678-1234-567-812-34-56-7-8；其中，“-”表示螺旋转折处，数字代表对应梯度方向的不同超单元，这种排列方式设计的超表面保证任意相邻超单元的梯度方向各异，从而可以最大限度破坏超表面一致散射的等相位面，达到最大限度打散电磁波的目的；

最后，根据超单元和超单元单螺旋循环排列方式并通过寻根算法，在CST中利用VBA宏建立螺旋编码超表面结构。