[发明专利]全极化超表面地毯隐身衣及其设计方法

权利要求书

1.一种全极化超表面地毯隐身衣的设计方法，其特征在于，该隐身衣的形状为任意三维结构，由多块平面超表面拼接组成；每块平面超表面由M*N个超表面单元周期延拓组成；每个超表面单元包括上层柔性介质板、中层3D打印材料和下层柔性介质板；其中，所述上层柔性介质板一面包含金属圆弧电谐振器，另一面全腐蚀；所述上层柔性介质板一面全金属，另一面全腐蚀；所述平面超表面上的金属圆弧电谐振器与x轴的夹角α，亦称方位角，取α＝45°；该金属圆弧电谐振器的形状为中心对称的类工字形，中间是金属直条，两端分别是半径为R的金属圆弧；两金属圆弧端部对应张角相等，记为β，两金属圆弧端部连线与中间金属条垂直；所述中间金属条和金属圆弧的宽度相等，记为d；金属圆弧电谐振器结构参数、方位角随单元空间位置不同而改变，具体通过全极化超表面地毯隐身衣方法设计确定；

具体步骤如下：

第一步：确定三维隐身衣的几何形状，并将三维隐身衣按照超表面单元周期离散化，然后基于射线追踪理论计算隐身衣的空间相位分布

隐身衣设计的基本依据是相位补偿法，首先需要确定参考面，并以参考面的相位为零相位，然后计算三维隐身衣各超表面单元离参考面的距离，最终根据公式(1)计算各超表面单元在特定极化下需要补偿的隐身相位，即空间相位分布δ：

δ＝π-2k₀[f(x)-g(x)]cos(θ) (1)

这里，f(x)表示隐身目标的几何形状，g(x)为希望达到的虚拟隐身目标，对于地毯隐身衣，g(x)为恒定水平面，k₀＝2π/λ₀为自由空间波矢，λ₀为工作波长，θ为电磁波的入射角；上式中需要补偿的相位分布δ与设计频率f₀、入射电磁波的极化密切相关；

第二步：提出基于旋向解耦方法的全极化隐身解决方案，并建立交叉极化转化下基于几何相位和传输相位的混合相位旋向解耦方法，基于第一步计算的隐身衣空间相位分布反演出传输相位和几何相位

左旋圆极化电磁波激发下，根据第一步，可以计算地毯隐身衣所需要的相位分布δ_+-；右旋圆极化电磁波激发下，根据第一步，可以计算地毯隐身衣所需要的相位分布δ_-+；下面建立一种方法来设计超表面，使得超表面在左旋和右旋圆极化电磁波激发下的相位和功能实现解耦，并结合几何相位和传输相位使得超表面能在左旋和右旋圆极化电磁波下同时实现公式(1)所计算的隐身相位，从而最终实现全极化电磁隐身；

根据线主极化和交叉线极化系统下，左旋和右旋圆极化电磁波状态下相位解耦理论，为反射体系下全极化隐身提供基本设计准则；反射体系下，超表面单元的特异电磁特性用琼斯矩阵来表征：

这里，和r_xx分别表示在x线极化波激励下的x极化反射相位和幅度频谱，和r_yx分别表示在x线极化波激励下的y极化反射相位和幅度频谱，和r_xy分别表示在y线极化波激励下的x极化反射相位和幅度频谱，和r_yy分别表示在y线极化波激励下的y极化反射相位和幅度频谱，这些相位与单元结构参数相关，称为传输相位；笛卡尔坐标系下，假设超表面单元相对其中心坐标旋转角α，那么线极化基下反射琼斯矩阵R(α)表示为：

R(α)＝S^-1(α)×R×S(α)，

其中，

同时，圆极化基下反射琼斯矩阵R^c(α)与线极化基下反射琼斯矩阵R(α)之间的关系满足：

R^c(α)＝Λ^-1·R(α)·Λ，

其中，

对于互易系统，旋转和镜像对称没有被打破，有r_yx＝r_xy和进一步得圆极化基下反射琼斯矩阵：

式(2)说明通过同时引入几何相位(e^-2αj)和传输相位可使δ_+-和δ_-+得以完全解耦；

对于线同极化系统，超表面单元沿x、y轴镜像对称，没有交叉极化，r_yx≈r_xy≈0，得到r_xx≈r_yy≈1；此外，为得到由线同极化系数决定的高交叉旋向转化效率，携带几何相位的旋向分量应为1，而其余旋向分量r₊₊和r_--为0；考虑到这些因素，令式(2)进一步将简化为：

这样，就可以反演出双旋向状态下均能隐身所需要的传输相位和几何相位：

对于交叉极化系统，没有镜像对称，r_xx≈r_yy≈0，立即得：

且旋向解耦效率由线交叉线极化转换效率决定；同时在左旋和右旋圆极化电磁波状态下实现隐身所需要的线交叉极化反射相位和几何相位计算如下：

第三步：在线交叉极化情形下合成满足旋向解耦的反射超表面单元，选定特定结构参数使得x/y极化下的线交叉极化反射相位均达到180°覆盖，获得线交叉极化反射相位随结构参数β变化的关系

在线交叉极化情形下，合成得到满足旋向解耦的反射超表面单元，作为全极化地毯隐身衣设计的基本结构单元；该基本结构是金属-绝缘体-金属型反射单元，由上、下层柔性薄PCB介质板以及夹在中间的3D打印聚合物构成；其中，上层柔性介质板一面包含一个金属圆弧电谐振器，另一面全腐蚀；下层柔性介质板一面全金属，另一面全腐蚀；

这里，根据工作频率确定单元的基本结构参数，然后选取参数β来获得180°相位覆盖，剩余180°相位覆盖通过旋转方位角α来接力，通过扫描β得到交叉极化相位随β变化的对应关系；

第四步：根据第二步得到的传输相位、几何相位和第三步得到的线交叉极化转换系数相位随结构参数β变化的关系，确定隐身衣上各超表面单元的结构布局，实现整个全极化隐身衣的建模

首先，为集成左旋和右旋圆极化波下的隐身相位δ_+-和δ_-+，根据公式(1)、(4a，4b)的计算结果合成所需要的和α；然后，根据对应关系得到隐身衣中每个单元的β分布；最后，根据α确定单元的方位角。